時(shí)連衛(wèi)，王子君，孫小波，王楓

(1.洛陽軸研科技股份有限公司，河南 洛陽 471039；2.河南省高性能軸承技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 洛陽471039；3.滾動(dòng)軸承產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟，河南 洛陽 471039)

聚四氟乙烯(PTFE)使用溫度范圍較寬，具有不浸潤、摩擦因數(shù)低、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，但由于純PTFE存在比磨損率高、受載易冷流及尺寸穩(wěn)定性差等缺點(diǎn)，限制了其在摩擦學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用，因此，通常對(duì)其進(jìn)行共混改性，而添加無機(jī)或金屬填料時(shí)，雖然復(fù)合材料綜合性能有所提高，但也存在與基體相容性差、磨損物易損傷對(duì)磨件等缺點(diǎn)。近年來國內(nèi)外越來越多的學(xué)者采用芳綸纖維(PPTA)對(duì)PTFE進(jìn)行改性研究，PPTA屬有機(jī)纖維，其強(qiáng)度高、模量高、密度低、具有減震、耐磨、耐沖擊、尺寸穩(wěn)定等優(yōu)異的力學(xué)和動(dòng)態(tài)性能，以及良好的耐化學(xué)腐蝕性，其熱性能突出，是一種適用于高載荷、高轉(zhuǎn)速下的耐磨材料[1-4]。

下文采用PPTA作為PTFE的改性劑，制備了一種新型軸承保持架復(fù)合材料，研究了PPTA含量對(duì)復(fù)合材料力學(xué)和摩擦性能的影響，分析了PPTA改性PTFE保持架磨損機(jī)理，進(jìn)行了常溫、液氮和液氫下復(fù)合材料相關(guān)性能測(cè)試。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

PTFE采用M18F；PPTA采用1F538。

1.2 試樣制備

首先將PPTA進(jìn)行回流及超聲波表面處理，在真空度-0.1 MPa的真空干燥箱內(nèi)烘干備用，取適量的PPTA放入高速攪拌機(jī)中預(yù)開松，然后加入不同含量的PTFE充分?jǐn)嚢?、混合。?fù)合材料中，PPTA質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0，5%，10%，15%，20%，25%，其制備流程如圖1所示。硬度和摩擦磨損試驗(yàn)用的試樣尺寸為12 mm×12 mm×20 mm;拉伸性能試驗(yàn)用試樣尺寸按照GB/T 1040.5—2008《塑料 拉伸性能的測(cè)定 第5部分:單向纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的試驗(yàn)條件》的要求制成標(biāo)準(zhǔn)啞鈴形拉伸試條;沖擊性能試樣尺寸按照GB/T 1043.1—2008《塑料 簡(jiǎn)支梁沖擊性能的測(cè)定 第1部分：非儀器化沖擊試驗(yàn)》的要求制成無缺口標(biāo)準(zhǔn)沖擊試條。

圖1 復(fù)合材料試樣制備工藝流程圖

1.3 性能測(cè)試

采用DNS200型電子微控萬能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度，拉伸速度5 mm/min；采用TIMKEN摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)測(cè)試材料的摩擦磨損性能，測(cè)試條件為：干摩擦，載荷7.58 N，時(shí)間30 min，轉(zhuǎn)速1 000 r/min；對(duì)摩擦磨損表面噴金處理后，采用JSM-6380LV型掃描電子顯微鏡(SEM)對(duì)復(fù)合材料磨損機(jī)理進(jìn)行分析；采用V-SD型邵氏硬度計(jì)測(cè)試材料硬度；低溫性能相關(guān)測(cè)試工作委托中科院理化技術(shù)研究所進(jìn)行。

2 結(jié)果與討論

2.1 PPTA含量對(duì)復(fù)合材料硬度的影響

不同PPTA含量的材料硬度見表1。從表中可以看出，隨著PPTA含量的增加，復(fù)合材料的邵氏硬度變化不大。這主要是由于PPTA屬于柔性物質(zhì)，兩者共混后，復(fù)合材料硬度主要取決于PTFE基體本身的硬度，在基體材料不變的情況下，復(fù)合材料硬度變化不大。

表1 不同PPTA含量的復(fù)合材料硬度

2.2 PPTA含量對(duì)復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度的影響

復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度如圖2所示。由圖可以看出，隨著PPTA含量的增加，復(fù)合材料的斷裂伸長率變小，拉伸強(qiáng)度降低。造成以上現(xiàn)象的原因可能是PPTA具有較高的負(fù)電性，靜電引起的內(nèi)聚力易將PPTA在混料過程中結(jié)合成團(tuán)，隨著PPTA含量的增加，結(jié)團(tuán)現(xiàn)象愈發(fā)嚴(yán)重，混料結(jié)團(tuán)引起成分不均致使兩相界面產(chǎn)生分離或孔隙，削弱PPTA的增強(qiáng)作用，導(dǎo)致復(fù)合材料力學(xué)性能下降。

圖2 PPTA含量對(duì)復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度的影響

2.3 PPTA含量對(duì)復(fù)合材料摩擦磨損性能的影響

復(fù)合材料的摩擦磨損性能如圖3所示。由圖可以看出，隨著PPTA含量的增加，復(fù)合材料的摩擦因數(shù)逐漸增加，磨損量急劇降低，當(dāng)PPTA的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%時(shí)，磨損量趨于穩(wěn)定;PPTA的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%時(shí)，磨損量達(dá)到最優(yōu)；PPTA的質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于15%時(shí)，磨損量呈緩慢增加趨勢(shì)。

圖3 PPTA含量對(duì)復(fù)合材料摩擦磨損性能的影響

2.4 復(fù)合材料磨損機(jī)理分析

不同含量PPTA改性PTFE復(fù)合材料的磨損表面形貌如圖4所示。由圖可知，純PTFE磨損呈平紋帶狀結(jié)構(gòu)，極易脫落，屬于典型粘著磨損(圖4a)；隨PPTA的加入，PPTA承受了摩擦過程中部分載荷，阻礙了PTFE大分子帶狀結(jié)構(gòu)破壞，在PTFE基體內(nèi)形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，有效保護(hù)了基體，復(fù)合材料由單一的粘著磨損轉(zhuǎn)變?yōu)檎持p與磨粒磨損共同作用；當(dāng)PPTA的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到15%時(shí)(圖4d)，復(fù)合材料磨損性能最優(yōu)。對(duì)比可知，PPTA的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%時(shí)磨損形貌最平整，這主要是因?yàn)?，PPTA含量較少時(shí)，難以完全阻礙PTFE大分子呈帶狀結(jié)構(gòu)從基體中抽出；PPTA含量太高時(shí)，由于PPTA和PTFE兩界面之間結(jié)合力較差，復(fù)合材料兩相間存在分離或孔隙，結(jié)合較為松散，導(dǎo)致復(fù)合材料耐磨性降低。

圖4 復(fù)合材料磨損表面形貌(1 000×)

2.5 測(cè)試溫度對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響

綜合考慮復(fù)合材料的力學(xué)性能和摩擦磨損性能，確定PPTA的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%。由于該類材料使用環(huán)境為低溫，針對(duì)該配方復(fù)合材料進(jìn)行了低溫下相關(guān)性能測(cè)試。

由表2可以看出，與常溫(23 ℃)相比，液氮(-196 ℃)和液氫(-253 ℃)溫度條件下復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度和彈性模量有所增加，斷裂伸長率和沖擊強(qiáng)度有所下降。這是由于該復(fù)合材料屬于高分子材料，隨著測(cè)試溫度的降低，相鄰分子鏈的構(gòu)象或鏈段之間距離變短，單鍵內(nèi)旋轉(zhuǎn)能增加，破壞了高分子構(gòu)象或鏈段的力增加，使復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度和彈性模量增加；另一方面，分子鏈的構(gòu)象或鏈段之間距離變短，使復(fù)合材料單鍵內(nèi)旋轉(zhuǎn)困難，致使復(fù)合材料柔順性變差，脆性增加，斷裂伸長率變低[5]。

表2 復(fù)合材料常溫和低溫性能比較

3 結(jié)論

1)隨著PPTA含量的增加，PPTA/PTFE復(fù)合材料的斷裂伸長率變小，拉伸強(qiáng)度降低，摩擦因數(shù)逐漸增加，磨損量急劇降低，當(dāng)PPTA的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%時(shí)，磨損量最低，綜合性能最優(yōu)。

2)通過對(duì)PPTA/PTFE復(fù)合材料摩擦磨損性能分析認(rèn)為，PPTA在PTFE基體內(nèi)形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，有效保護(hù)了基體，當(dāng)PPTA的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到15%時(shí)，網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)最均勻穩(wěn)定。

3)與常溫相比，液氮和液氫溫度條件下PPTA/PTFE復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度和彈性模量有所增加，沖擊強(qiáng)度有所下降，斷裂伸長率顯著下降。