王立虎,王守仁,王佩文,王高琦,張永良

(1.濟南大學機械工程學院，山東 濟南 250022；2.山東省計量科學研究院，山東 濟南 25002)

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【新材料】

Go/CF/PTFE高鐵橋梁球形支座平面滑板制備及摩擦學性能研究

王立虎1,王守仁1*,王佩文1,王高琦1,張永良2

(1.濟南大學機械工程學院，山東 濟南 250022；2.山東省計量科學研究院，山東 濟南 25002)

通過往PTFE中加入經過一定處理的石墨烯和碳纖維，經過稱量材料、球磨混料、冷壓成型、燒結固化等步驟制備出平面滑板試樣。利用MMG-10型氣氛保護摩擦磨損試驗機對平面滑板試樣的摩擦磨損性能進行了研究，利用掃描電鏡觀察平面滑板試樣摩擦面的微觀形貌，探討了石墨烯與碳纖維的潤滑機理。結果表明石墨烯的加入能減小平面滑板試樣的摩擦系數，碳纖維的加入能明顯提高平面滑板的耐磨耗性能。含有質量分數2%的石墨烯和30%的碳纖維的平面滑板試樣的摩擦磨損性能最好。

石墨烯；碳纖維；摩擦磨損；掃描電鏡

隨著高鐵橋梁事業(yè)的飛速發(fā)展，球型支座作為連接梁體與橋墩的重要一環(huán)，其重要性備受關注。高鐵橋梁球型支座主要由上支座板、球冠襯板、下支座板、平面不銹鋼板、平面滑板、球面不銹鋼板、球面滑板、密封環(huán)、錨栓、防塵圍板等組成。球型支座通過平面不銹鋼板與平面滑板的滑動滿足支座的位移要求，所以平面滑板是球型支座的重要組成部分，其性能的好壞直接影響球型支座的性能[1]。現階段平面滑板的材料一般選擇聚四氟乙烯(PTFE)，這是一種化學聚合物，俗稱“塑料王”。由于其具有較好的摩擦磨損性能被廣泛應用在各領域，但是PTFE的耐蠕變性能較差，在PTFE里添加填料可以提高其耐蠕變性能。石墨烯(GO)是由碳原子 sp2雜化軌道組成的六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，于2004年被發(fā)現，是一種二維納米材料，厚度只有 1個碳原子厚度。石墨烯強度高、硬度大，具有較低的摩擦系數和優(yōu)異的抗磨損性能，將其填充到PTFE中能有效減小其摩擦系數。碳纖維(CF)是一種高強度、高模量的新型纖維材料，作為填充劑可有效提高材料的耐磨性[2]。但是石墨烯和碳纖維作為填充材料與PTFE相容性并不是很好，本文采用硅烷偶聯(lián)劑KH-550處理氧化石墨烯和碳纖維，使碳纖維與基體材料結合更加穩(wěn)定。

1 實驗

1.1實驗設計

平面滑板試樣尺寸為40 mm×40 mm×8 mm，純聚四氟乙烯板的密度為2.17 g/cm3，試樣質量為24 g，石墨烯的添加質量分數分別為1%、2%、3%，碳纖維的添加質量分數分別為10%、20%、30%，如表1所示。

表1 平面滑板試樣的組成

1.2 試樣制備

1.2.1 高鐵橋梁球形支座平面滑板簡介

高鐵橋梁球形支座平面滑板位于球冠襯板與平面不銹鋼板之間，平面滑板與平面不銹鋼板之間的摩擦性能直接影響支座的壽命，所以說平面滑板是球型支座的核心組成部分，其在球型支座上的位置如圖1所示。

圖1 球型支座結構Fig.1 Spherical bearing structure

1.2.2 材料處理

碳纖維和氧化石墨烯分別經過硅烷偶聯(lián)劑KH-550處理，步驟為用水、硅烷偶聯(lián)劑和無水乙醇按體積分數分別為8%、22%和70%配成溶液，把待處理材料放入所配溶液中，用玻璃棒攪拌使其完全溶于溶液，然后放入鼓風干燥箱干燥，時間5 h，溫度120 ℃，用研磨裝置把干燥后的材料研碎放入容器中備用。

1.2.3 球磨混料

用電子分析天平稱取一定質量的材料，放入球磨機中球磨，選擇轉速190 r/min，時間120 min，工作方式選擇間歇式，球磨機運轉20 min，靜止20 min，球料比選擇7∶1。

1.2.4 冷壓成型

將混好的材料放入特定的模具中，采用液壓成型機單向加壓的辦法壓制，以10 MPa/min的加壓速率加壓至130 MPa，保壓2 min，確保材料中的空氣被完全壓出。

1.2.5 燒結固化

把冷壓成型后的試樣放入箱式電爐中燒結。燒結固化工藝為升溫速率60 ℃/h，在327 ℃下保溫1 h，然后繼續(xù)以60 ℃/h的升溫速率加到370℃，保溫4 h，然后隨爐冷卻至室溫，得到平面滑板試樣。

1.3 性能測試

1.3.1 摩擦磨損性能測試

摩擦磨損性能測試在MMG-10型氣氛保護摩擦磨損試驗機上進行，試樣尺寸為40 mm×40 mm×8 mm，依次經過200、600、800、1 200目砂紙打磨拋光，對偶件為環(huán)，材質為45鋼，尺寸為?15 mm×?10 mm×10 mm，實驗前對偶件在3 000目的金相砂紙上打磨，實驗在硅脂5201潤滑的條件下進行，壓力選擇200 N, 選擇轉速150 r/min，時間為3 500 s，記錄試樣的靜摩擦系數和磨損量，磨損量的計算采用測試前后的質量損失表示

Δm=m1-m2，

(1)

其中，Δm為質量損失，m1和m2分別為摩擦磨損前和摩擦后的質量，精確到0.1 mg[3-5]。

1.3.2 硬度測試

利用數顯顯微維氏硬度計測試試樣的硬度，每組試樣測試10次取平均值。

1.3.3 形貌觀察

對摩擦磨損試樣和沖擊斷面試樣進行噴金處理，使用日立S-2500型掃描電子顯微鏡(SEM)在高倍下對磨損表面和沖擊斷面表面進行觀察，深入探討Go/CF/PTFE高鐵橋梁球形支座平面滑板試樣的減摩耐磨機理。

圖2 平面滑板的磨損量隨著碳纖維質量分數的變化Fig.2 The wear and tear of the flat sliding plate with the changes of carbon fiber content with graphite content of 1%

2 結果與討論

2.1 摩擦磨損性能

圖2為當石墨烯質量分數為1%時，磨損量隨著碳纖維質量分數的增加而急劇減小，當質量分數為10%時磨損量下降80%，當質量分數為20%時磨損量相比質量分數為10%時增加很小，當質量分數為30%時，磨損量相比質量分數為10%時急劇增加[6]。

圖3為當碳纖維質量分數為10%時，平面滑板的靜摩擦系數隨著石墨烯質量分數的增加而減小，當質量分數為3%時靜摩擦系數可以達到0.007，可以滿足高頻率、低摩擦往復運動的實際工況要求。

圖4為所有平面滑板試樣的摩擦過程中摩擦系數的變化，從圖中可以看出，相比試樣A的摩擦系數，試樣D、E、F、J的摩擦系數均有所減小，試樣D和J的摩擦系數較小。結合圖2與圖3可以發(fā)現試樣I的性能最優(yōu)，由于碳纖維的添加其磨損量相比試樣A大幅下降，由于石墨烯的添加摩擦系數也大大降低。[7]

圖3 平面滑板的靜摩擦系數隨著石墨烯質量分數的變化 Fig.3 When the content of carbon fiber is 30%, the static friction coefficient of the planar sliding plate changes with the graphene content

圖4 平面滑板試樣的摩擦過程Fig.4 The friction process of the flat sliding plate specimen

2.2 硬度測試

表2給出了平面滑板試樣硬度測試值。

表2 平面滑板試樣硬度測試值(HV)

從表2試樣硬度平均值變化可以看出，相比平面滑板試樣A的硬度值，其余試樣的硬度得到了極大的提高，大約提高200%。這是由于碳纖維的加入使得平面滑板試樣的硬度值得到提高，但是碳纖維的量要適中，石墨烯的添加在一定程度上影響了試樣的硬度。

2.3 磨損表面掃描電子顯微鏡分析

圖5是不同組分的平面滑板試樣的磨損表面形貌。隨著碳纖維和石墨烯含量的變化，平面滑板試樣的磨損表面形貌差別很大。圖5A呈現出很深的帶狀結構，這是由于犁溝與粘著磨損造成的;隨著碳纖維含量的提高，粘著磨損與犁溝效應減弱，當碳纖維含量在10%左右時，其減磨作用要遠遠大于其承載作用，在試樣表面的碳纖維有效地阻止了犁溝的深入，使基體材料PTFE被磨損后直接磨損高于基體的碳纖維，碳纖維具有較高的比強度與比模量，相比基體更耐磨[8-9]。碳纖維對于基體有連接的作用，使局部的基體被緊密地抱在一起，因此平面滑板試樣局部區(qū)域發(fā)生粘著脫落的概率降低，圖5B由于碳纖維的存在犁溝作用被削弱，碳纖維周圍的基體材料穩(wěn)穩(wěn)地抱在碳纖維周圍[10]。

圖5 平面滑板試樣的SEM照片Fig.5 SEM photographs of the planar slide specimens

由于碳纖維與石墨烯都具有非常高的表面能，而且基體材料相當穩(wěn)定，這樣在混料時碳纖維與石墨烯極易發(fā)生團聚，經過硅烷偶聯(lián)劑KH-550處理的碳纖維和石墨烯被賦予了氨基，而基體材料表面具有負電性很強的氟元素，這樣氨基外層電子與氟元素電性中和，既避免了團聚又使碳纖維與基體材料結合更加穩(wěn)定，圖5C中碳纖維周圍有裂縫出現，此種情況的出現有以下三種原因：一是碳纖維在與對磨件摩擦的過程中，結合良好的碳纖維被不斷地剪切，最終出現裂紋，如果繼續(xù)摩擦碳纖維會最終脫落；二是個別碳纖維被硅烷偶聯(lián)劑處理時處理的不徹底，碳纖維與基體接觸界面結合差；三是冷壓成型時壓力不均勻而且過快，使試樣中出現縫隙。隨著碳纖維含量達到30%，碳纖維像骨架一樣分布在試樣中，既起到減磨作用又起到很好的承載作用，試樣的減磨效果非常好，但隨著碳纖維含量的提高試樣中出現了微小的磨粒磨損，這是由于碳纖維被摩擦過程中會出現脫落，脫落的碳纖維與試樣直接對磨形成磨粒磨損。圖5E為在局部區(qū)域沒有碳纖維時磨痕的整體形貌，磨痕很深，典型的犁溝效應；如圖5G所示，碳纖維在磨痕的深度方向起到連接作用，防止表面的材料發(fā)生粘著磨損；如圖5H所示，碳纖維周圍材料發(fā)生疲勞剝落，碳纖維在局部區(qū)域高于基體，此時碳纖維與對磨件對磨，起到減磨作用[11-12]。

當石墨烯與碳纖維含量到達一定值時，石墨烯會與碳纖維產生協(xié)同潤滑作用，由于石墨烯的片層狀結構，石墨烯會與基體材料轉移到對偶件上與碳纖維對磨，這樣由平面滑板試樣與金屬的對磨轉變成碳纖維與石墨烯和基體材料的對磨，因此摩擦系數會降低。由于本實驗所添加的碳纖維經過硅烷偶聯(lián)劑處理，碳纖維在基體中會因為氨基外層電子與負電性氟元素相互作用和冷壓成型時的機械力而結合性良好。如圖5I、J所示，碳纖維與基體良好地結合在一起，由于對磨件的切削作用，基體材料被磨平，高出基體的碳纖維與對磨件對磨直至被磨平，碳纖維起到了減磨作用[12]。

2.4 沖擊斷面掃描電子顯微鏡分析

圖6是68%PTFE+2%Go+30%CF平面滑板試樣沖擊斷面SEM照片，從圖中可以看出，碳纖維在基體中分布較為均勻，界面結合較為緊密。

圖6 平面滑板試樣沖擊斷面Fig.6 Impact fracture of sample plane

3 結 論

本文所涉及的實驗摩擦磨損性能最好的是試樣D：2%Go+30%CF+68%PTFE,靜摩擦系數在0.007左右，磨損量相比純PTFE大大減小。

通過對磨痕的微觀形貌分析，經過硅烷偶聯(lián)劑處理的碳纖維與基體材料界面結合較好，在與對磨件摩擦過程中，碳纖維代替基體材料與對磨件對磨，起到了減摩耐磨的作用。

[1]李軍. 超大噸位球型支座的結構設計[D]. 重慶：重慶大學, 2006.

[2]石國軍, 李翠, 袁月. 莫來石與碳纖維協(xié)同填充的聚四氟乙烯基復合材料及其摩擦學性能[J]. 復合材料學報, 2016, 33(9):1886-1898.

[3]蔡先彬, 劉秀波. 聚四氟乙烯復合材料的摩擦磨損性能研究[J]. 化工管理, 2015(30):15.

[4]CONTE M, IGARTUA A. Study of PTFE composites tribological behavior[J]. Wear, 2012, 296(s1/s2):568-574.

[5]王永虎, 王玲娟, 宋利明,等. 氧化石墨烯-聚四氟乙烯納米復合材料及性能[J]. 化工生產與技術, 2014, 21(2):12-14.

[6]見雪珍, 李華, 房光強,等. 含碳納米管、石墨烯的平面滑板摩擦磨損性能[J]. 功能材料, 2014, 45(3):11-16.

[7]朱恩波. 纖維與粉末填充改性增強聚四氟乙烯復合材料的制備與性能研究[D]. 鎮(zhèn)江：江蘇大學, 2010.

[8]師延齡, 王文東. 碳纖維填充聚四氟乙烯的性能及應用[J]. 有機氟工業(yè), 2005(3):23-25.

[9]楊麗君, 王齊華, 寧麗萍,等. 碳纖維及石墨填充聚四氟乙烯復合材料的摩擦學性能研究[J]. 材料科學與工程學報, 2004, 22(5):705-708.

[10]ZHANG Z Z, XUE Q J.Friction and wear properties of metal powder filled PTFE composites under oil lubricated conditions[J].Wear,1997,210:151-156.

[11]上官倩芡. 稀土改性碳纖維增強聚四氟乙烯復合材料摩擦學性能研究[D]. 上海：上海交通大學, 2007.

[12] 溫詩鑄, 黃平. 摩擦學原理[M]. 北京：清華大學出版社, 2012.

Preparation of flat skateboard for Go / CF / PTFE high-speed rail bridge spherical bearing and study on its tribological properties

WANG Li-hu1, WANG Shou-ren1*, WANG Pei-wen1, WANG Gao-qi1, ZHANG Yong-liang2

(1.School of Mechanical Engineering, University of Jinan, Jinan 250022, China;2.Shangdong Institute of Metrology, Jinan 250022, China)

∶A plane skateboard sample was prepared by adding treated graphene and carbon fiber to PTFE, and the steps were carried out by weighing material, ball milling, cold pressing, sintering and other procedures. The friction and wear properties of the plane skateboard specimen were studied by MMG-10 friction and wear tester of atmosphere protection. The microstructure of the friction surface of the plane skateboard was observed by scanning electron microscopy，and the lubrication mechanism of graphene and carbon fiber was discussed. The experimental results show the addition of graphene can reduce the friction coefficient of the plane skateboard specimen, and the addition of carbon fiber can obviously improve the wear resistance of the plane skateboard. The friction and wear properties of flat skate specimens containing 2% graphene and 30% carbon fiber are the best.

∶graphene; carbon fiber; friction and wear; scanning electron microscopy

10.3976/j.issn.1002-4026.2017.03.009

2017-01-20

山東省泰山學者工程專項經費;國家自然科學基金(51372101)

王立虎(1992—)，男，碩士，研究方向為摩擦學應用與研究。

*通信作者，王守仁。E-mail:sherman0158@163.com

TB332

A

1002-4026(2017)03-0045-06