楊曉強，徐晨，譚德強，李銳，賀強，高會英

（中國民用航空飛行學院 航空工程學院，四川 廣漢 618307）

PTFE/Kevlar 纖維編織材料具有自潤滑性能穩(wěn)定、化學性質(zhì)穩(wěn)定、摩擦因數(shù)較低的特點，成為了關節(jié)軸承等零部件自潤滑襯墊的主要使用材料，目前已經(jīng)在航空航天、高鐵運輸、機械制造等領域得到廣泛應用[1-4]。如民航客機起落架自潤滑關節(jié)軸承，或直升機主旋翼變距拉桿桿端軸承，其中的襯墊材料都由PTFE/Kevlar 纖維編織材料構成[5-6]。因此，該編織材料的摩擦性能以及損傷演變規(guī)律，直接影響著關鍵零部件的工作狀態(tài)和服役壽命，最終決定整個系統(tǒng)的運行安全[7]。

目前國內(nèi)外已有針對PTFE 纖維編織材料摩擦學性能的相關研究。張艷等[8]研究了石墨和MoS2填充PTFE 復合材料的摩擦磨損性能，并得到了載荷變化下能夠降低磨損率的填充物百分比為10%。Hitonobu等[9]研究了聚醚-醚酮（PEEK）復合材料的摩擦學特性，結果表明，PEEK-PTFE 轉(zhuǎn)移膜顯著改善了軸承的磨損和轉(zhuǎn)動性能。McCook 等[10]研究了聚四氟乙烯和環(huán)氧樹脂復合材料的耐磨性，并與單獨使用這兩種材料進行了對比。結果表明，材料涂層接觸面上形成的PTFE 轉(zhuǎn)移膜使復合材料的摩擦學性能增強。Koike等[11]研究了六方氮化硼（h-BN）和聚對羥基苯甲酸苯酯（PHBA）對改善聚四氟乙烯（PTFE）扭轉(zhuǎn)摩擦性能的影響，同時驗證了純PTFE 的磨損機制主要為粘著磨損。Suresh 等[12]提出了一種優(yōu)化聚四氟乙烯（PTFE）/埃洛石納米管（HNTs）納米復合材料自潤滑性能的復合方法，研究發(fā)現(xiàn)，PTFE 成分配比4%、載荷8.5354 N、距離2 km 和滑動1 m/s 是最優(yōu)的效用指數(shù)。以上對于纖維編織材料的研究更多偏向材料填充以及制造工藝方面，相關的損傷演變規(guī)律研究則相對匱乏，因此很難對其摩擦磨損性能進行更準確評估，從而使性能穩(wěn)定、性質(zhì)優(yōu)越的編織材料在國內(nèi)不能批量生產(chǎn)，嚴重制約了我國相關領域的發(fā)展[13]。因此，對PTFE/Kevlar 纖維編織材料摩擦學性能及損傷演變規(guī)律進行研究，具有重要的戰(zhàn)略意義。

本研究通過控制載荷與循環(huán)次數(shù)等試驗變量，針對PTFE/Kevlar 纖維編織材料在載荷一定、循環(huán)次數(shù)增加的條件下的損傷演變規(guī)律進行了研究，分析不同循環(huán)次數(shù)下的摩擦學行為。

1 試驗

1.1 材料

試驗所選摩擦副為軸承鋼與編織復合材料組成的球-面滑動摩擦副，如圖1 所示。軸承鋼使用材料為GCr15。編織復合材料采用某零件制造廠生產(chǎn)的樣件PTFE/Kevlar 纖維。相比于PTFE/Kevlar 纖維編織材料，GCr15 的硬度更高，因此PTFE/Kevlar 纖維編織材料表面更易被磨損。采用掃描電子顯微鏡（SEM）觀察纖維編織材料接觸表面磨痕，分析其在相同載荷條件下，不同循環(huán)次數(shù)對材料損傷規(guī)律的影響。

圖1 球-面滑動摩擦副樣品Fig.1 Sample of ball-plane sliding friction pair: a) GCr15 bearing steel; b) PTFE/Kevlar fiber

為了對編織材料組成成分做進一步驗證，本試驗利用全反射紅外光譜（ATR）對其表面進行分析。選取樣品固定在樣品臺上，首先使用LUMOS Ⅱ?qū)悠愤M行分析，拍攝顯微照片。再根據(jù)可見的樣品結構及SEM 照片測量點，按照光圈大小設置空間分辨率，自動對選取的測量點進行ATR 測量。測量得到所選區(qū)域?qū)墓庾V圖（見圖2），測量光闌為30 μm×30 μm。

圖2 編織材料表面成分ATR 分析測量光譜Fig.2 ATR analysis and measurement spectrogram of surface composition of braided material

將測量得到的光譜圖與已知譜庫進行對比，結果表明，點A 處白色編織材料成分主要為PVA 類纖維，本試驗中即為Kevlar 纖維；點B 處黑色編織材料成分主要為聚四氟乙烯（PTFE）。

1.2 方法

試驗選用MXW-5 型摩擦磨損試驗機（結構如圖3 所示）。首先將編織材料樣品放置在往復模塊試驗臺上，再通過螺釘將樣品夾裝固定?？赏ㄟ^在加載桿上添加不同質(zhì)量的砝碼，控制編織材料樣品載荷的變化。加載桿的末端連接著上夾具，上摩擦副下端與編織材料樣品表面組成滑動摩擦副，隨旋轉(zhuǎn)電機通過凸輪結構帶動試驗臺及樣品做往復運動。通過人機交互界面輸入頻率、位移、循環(huán)次數(shù)等參數(shù)，通過工業(yè)計算機將控制信號發(fā)送至功率放大器，進而控制試驗機運轉(zhuǎn)。功率放大器將從摩擦力傳感器傳回的電信號發(fā)送至工業(yè)計算機，最終將摩擦力、摩擦因數(shù)等參數(shù)顯示在人機交互界面上。

圖3 MXW-5 型摩擦磨損試驗機Fig.3 Schematic diagram of MXW-5 friction and wear testing machine

使用MXW-5 型摩擦磨損試驗機的往復試驗模塊，通過控制使試樣所處的載荷、頻率、位移保持恒定，進而改變試樣的試驗循環(huán)次數(shù)。本試驗經(jīng)過分析某關節(jié)軸承實際應用中PTFE/Kevlar 纖維編織材料所受應力的波動范圍[14]，并根據(jù)點-面接觸和面-面接觸的應力等效原理，通過計算分別選取2、5、10 N 載荷，摩擦副運動方式為往復運動，選取頻率為5 Hz，位移為5000 μm。每種載荷對應循環(huán)次數(shù)分別為100、500、1000、2000、5000 次。對載荷相等、運動方式相同條件下，循環(huán)次數(shù)變化導致的摩擦損傷演變進行探究。

2 結果分析

2.1 摩擦因數(shù)曲線

通過試驗數(shù)據(jù)導出摩擦因數(shù)曲線，如圖4 所示。從圖4 中觀察到，在3 種載荷下，循環(huán)次數(shù)到達500次前，摩擦因數(shù)變化程度較明顯，且變化規(guī)律基本一致，增長值大約為0.05，表明該階段編織材料表面纖維由于未受到保護而發(fā)生初步磨損。在循環(huán)次數(shù)超過2000 次后，摩擦因數(shù)持續(xù)增大，但因數(shù)曲線逐漸平緩，增長幅度降低。這表明隨循環(huán)次數(shù)的增加，材料表面的損傷趨勢減緩，纖維受到保護。如光滑度、均勻性等材料表面的潤滑狀態(tài)會隨所受載荷的變化而變化。2 N 載荷下樣品的摩擦因數(shù)整體上低于載荷5、10 N 樣品，表明樣品在2 N 載荷下，表面的潤滑狀態(tài)優(yōu)于其他兩種載荷條件，進而導致3 種載荷下樣品的損傷演變規(guī)律有所區(qū)別。因此，應進一步對樣品表面磨痕及潤滑狀態(tài)進行分析。

圖4 載荷2、5、10 N 樣品摩擦因數(shù)曲線Fig.4 Friction coefficient curves of samples under loads of 2 N,5 N and 10 N

2.2 宏觀分析

分別選取試驗載荷為2、5、10 N 的PTFE/Kevlar纖維編織材料樣品，放入盛有酒精的燒杯中，利用超聲清洗并烘干，然后利用體視顯微鏡對材料摩擦損傷表面進行觀察。如圖5a—c 所示，相同載荷下，隨循環(huán)次數(shù)的增加，樣品摩擦表面的損傷情況越來越嚴重，磨痕整體呈現(xiàn)出深淺程度不同的磨坑。但在該條件下觀察損傷情況不明顯，應進一步利用3D 光學輪廓儀分析其損傷表面磨損深度，進而分析損傷程度。

圖5 樣品SM 圖像Fig.5 SM image of samples

載荷為2 N 的編織材料樣品在100、500、1000、2000、5000 循環(huán)次數(shù)下，材料損傷表面3D 輪廓圖的損傷特征如圖6 所示。當循環(huán)次數(shù)為100 次時，材料表面損傷輕微，通過觀察三維輪廓發(fā)現(xiàn)，磨痕在PTFE材料處有明顯凹坑，但區(qū)域較小。循環(huán)次數(shù)到達500次時，在PTFE 部分，損傷處凹坑面積逐漸變大，觀察到深度曲線圖存在尖峰，其主要由于兩種材料間存在的間隙無法被掃描而導致。循環(huán)次數(shù)增加到1000次和2000 次時，磨痕深度增加，但磨損區(qū)域面積無明顯變化，Kevlar 纖維處的磨損仍然較小。循環(huán)次數(shù)達到5000 次時，相比循環(huán)次數(shù)較小的試驗結果，PTFE損傷明顯，從三維輪廓圖中能夠觀察到由于磨損導致的較深的凹坑，從深度曲線圖中能夠觀察到兩種材料的磨損量存在明顯差異。由此可見，當載荷較小時，循環(huán)次數(shù)對編織材料中兩種材料的影響程度不同，循環(huán)次數(shù)的變化對PTFE 的影響大于對Kevlar 纖維的影響，且該組試驗載荷較小，主要的磨損形式為疲勞磨損。

圖6 載荷2 N 樣品的3D 光學輪廓Fig.6 3D optical contour image of load 2 N sample

編織材料在載荷為5 N 時，磨痕表面的損傷三維輪廓及二維深度曲線如圖7 所示。當循環(huán)次數(shù)為100次時，磨痕表面損傷不明顯，但從深度曲線圖中能觀察到損傷表面出現(xiàn)了不均勻的損傷，其中尖峰的出現(xiàn)同樣與材料間隙本身間隙有關。循環(huán)次數(shù)為500 次時，損傷表面出現(xiàn)了明顯凹坑，結合深度曲線觀察到凹坑周圍深度為正，推測該凹坑或由磨屑堆積導致。循環(huán)次數(shù)為1000 次時，材料表面磨痕面積擴大，Kevlar 纖維部分已出現(xiàn)較重磨損。深度曲線中的尖峰是由于磨痕周邊磨屑堆積所致。循環(huán)次數(shù)到達2000次時，磨痕表面磨損已相對均勻，觀察到深度曲線波動較小，可知磨痕深度較平均。循環(huán)次數(shù)為5000 次時，磨痕深度進一步擴大，纖維凸起的情況不明顯。載荷進一步增大時，PTFE 與Kevlar 纖維隨著循環(huán)次數(shù)的增加，磨損程度逐漸趨向一致，磨痕表面逐漸均勻連續(xù)，深度曲線變化相對平穩(wěn)。相比上一組2 N 的試驗，該組試驗的表面接觸應力增大，導致沿運動方向的剪切力增大，使材料表面疲勞磨損與塑性變形加重，磨痕隨循環(huán)次數(shù)增加不斷明顯。

圖7 載荷5 N 樣品的3D 光學輪廓Fig.7 3D optical contour image of load 5 N sample

載荷為10 N 的編織材料樣品，在100、500、1000、2000、5000 循環(huán)次數(shù)下的損傷特征如圖8 所示。當循環(huán)次數(shù)為100 次和500 次時，磨痕表面損傷已比較均勻，PTFE 與Kevlar 纖維損傷程度相對一致。當循環(huán)次數(shù)為1000 次時，編織材料摩擦表面已經(jīng)有明顯的磨痕，并呈現(xiàn)出較深的凹坑，但磨痕沿運動方向仍不均勻，在磨痕一端及中間位置存在明顯凸起。這是由于摩擦過程中，斷裂的纖維未受到保護所致。循環(huán)次數(shù)為2000 時，觀察到材料磨痕變寬，且更均勻，但磨痕邊緣區(qū)域存在多處纖維磨斷所導致的凸起。當循環(huán)次數(shù)為5000 次時，材料摩擦表面磨損面積最大，但磨痕已相對均勻連續(xù)，撕裂纖維凸起較少。磨痕區(qū)域周邊明顯的凸起，主要由于斷裂纖維和大量磨屑的堆積所導致。當載荷進一步增大時，上下摩擦副之間接觸應力較大，由循環(huán)次數(shù)增加所導致的材料表面磨損演變情況不明顯，尤其是循環(huán)次數(shù)超過1000 次后，磨痕表面除被PTFE 轉(zhuǎn)移膜保護的纖維外，大部分纖維被破壞。由此可知，載荷的增加削弱了循環(huán)次數(shù)對磨痕表面磨損程度的影響，這主要是由于10 N 載荷產(chǎn)生的點-面接觸應力增強了材料表面的犁溝效應，較大的應力使纖維被犁斷，而非磨斷。

圖8 載荷10 N 樣品的3D 光學輪廓Fig.8 3D optical contour image of load 10 N sample

2.3 磨痕特征微觀分析

通過分析PTFE/Kevlar 纖維編織材料的磨痕特征，可以判定球面接觸摩擦副磨損過程中發(fā)生的磨損形式和特征，便于探究摩擦副的磨損機理。分析選取損傷較明顯的載荷為5、10 N 的樣品進行分析。采用掃描電子顯微鏡（SEM）對不同編織材料樣品表面上磨損相對嚴重的部位進行觀測，結果如圖9—10 所示。

圖9 載荷5 N 樣品的SEM 形貌Fig.9 SEM images of load 5 N samples

根據(jù)磨痕的SEM 圖像可知，載荷不同的2 個試驗中，編織材料表面都形成了面積較大的材料PTFE轉(zhuǎn)移膜，但同時也存在纖維磨斷撕裂、PTFE 轉(zhuǎn)移膜剝落等表面形貌特征[15-17]。載荷5 N 條件下，循環(huán)次數(shù)為100、500 次時，磨痕局部出現(xiàn)纖維磨斷現(xiàn)象，該階段沒有產(chǎn)生均勻的PTFE 轉(zhuǎn)移膜。當循環(huán)次數(shù)達到1000、2000 次時，磨痕表面較光滑、均勻，放大后能觀察到小面積的PTFE 轉(zhuǎn)移膜，同時PTFE 轉(zhuǎn)移膜呈現(xiàn)出向四周延展的趨勢。當循環(huán)次數(shù)達到5000次時，磨痕表面變得更加平整、光滑，放大后能觀察到面積較大的PTFE 轉(zhuǎn)移膜，但在PTFE 轉(zhuǎn)移膜向四周延展的同時，產(chǎn)生了少量磨屑。當載荷為當載荷為10 N，循環(huán)次數(shù)為100 次時，表面磨損較輕，但較大的剪切力導致材料表面纖維發(fā)生剝落，形成較小磨坑。循環(huán)次數(shù)為500 次時，材料表面磨損相對較輕，磨痕較均勻，且形成了小面積的PTFE 轉(zhuǎn)移膜。當循環(huán)次數(shù)增加為1000 次時，摩擦表面局部發(fā)生了纖維磨斷情況，并伴隨PTFE 轉(zhuǎn)移膜的剝落。進一步放大后能夠觀察到，剝落處形成了較大的磨屑，其在后續(xù)磨損過程中會進一步加劇局部磨損，使完整PTFE 轉(zhuǎn)移膜表面由于磨粒磨損而產(chǎn)生新的剝落的磨屑，從而進一步加劇表面磨損[18]。循環(huán)次數(shù)為2000 次時，磨痕損傷區(qū)域已經(jīng)較為均勻，但仍存在局部的PTFE 轉(zhuǎn)移膜剝落，且在磨痕邊緣發(fā)生了纖維斷裂。放大后，能夠觀察到PTFE 轉(zhuǎn)移膜將纖維表面覆蓋，但剝落的PTFE 轉(zhuǎn)移膜使纖維暴露在外表面。當循環(huán)次數(shù)增加到5000 次時，摩擦表面已經(jīng)形成了相對完整均勻的PTFE 轉(zhuǎn)移膜，但部分區(qū)域存在嚴重的纖維斷裂情況和塑性形變。放大后，能夠觀察到部分纖維磨斷和連續(xù)的PTFE 轉(zhuǎn)移膜。

圖10 載荷10 N 樣品的SEM 形貌Fig.10 SEM images of load 10 N samples

通過以上2 組試驗表明，隨循環(huán)次數(shù)的不斷增加，疲勞磨損伴隨磨粒磨損是PTFE/Kevlar 纖維編織材料摩擦損傷的主要形式。在2000 次前，以疲勞磨損為主導，使兩種材料不斷粘連、塑性變形；2000～5000 次，磨屑形成的大小不一的顆粒，在往復運行作用下與對材料表面產(chǎn)生輕微擦傷或微小的犁溝痕跡，將磨損形式轉(zhuǎn)變?yōu)槟チ?樣品間的二體磨粒磨損。

2.4 化學狀態(tài)分析

為了進一步分析PTFE/Kevlar 纖維編織材料摩擦表面損傷演變情況，使用X 射線能譜儀（EDS）對損傷表面進行掃描。選取未磨損的原樣品，通過與載荷5、10 N 往復循環(huán)運動5000 次樣品進行表面化學元素成分進行對比，分析損傷表面化學狀態(tài)，進而得到損傷演變規(guī)律。

對未磨損的原樣品與5、10 N 載荷往復循環(huán)運動5000 次樣品進行EDS 點分析，如圖11 所示。在未磨損樣品Kevlar 纖維部分取A 點，PTFE 部分取B 點。分析結果顯示，A 點存在大量C、O 元素，表明C、O 元素主要來源于材料未磨損時裸露在表面的Kevlar 纖維，而B 點存在C、F 元素是由于PTFE 本身的化學成分中存在一定的C、F 元素，O 元素則來自被氧化的PTFE。Al、Fe 元素主要來源于樣品切割過程中產(chǎn)生的雜質(zhì)。在載荷為5 N、10 N 樣品磨損處的Kevlar 纖維部分取點C、D，觀察到C、O 元素含量減少，表明該點形成的PTFE 轉(zhuǎn)移膜將Kevlar 纖維保護了起來[19-20]。點C 與點D 均存在O 元素峰，表明在磨痕表面發(fā)生了程度不同的氧化，而O 元素則來自外界環(huán)境中。在磨損區(qū)，F(xiàn)e 元素主要來自對摩副軸承鋼材料，這是由于材料與對摩擦副發(fā)生粘著磨損，使對摩副軸承鋼材料的Fe 元素轉(zhuǎn)移到編織材料表面上。

圖11 PTFE/Kevlar 纖維編織材料表面SEM 和EDS 圖像Fig.11 SEM and EDS images of PTFE/Kevlar woven material surface: a) unworn sample; b) F=5 N, N=5000; c) F=10 N, N=5000

根據(jù)上述分析可知，C 元素主要來自Kevlar 纖維，F(xiàn) 元素主要來自PTFE，O 元素的變化主要由于表面氧化磨損。為了進一步探究編織材料磨痕表面損傷演變情況，需對材料表面元素分布狀態(tài)進行分析。分別對載荷為5、10 N，循環(huán)次數(shù)為1000、5000 次的編織材料損傷表面進行X 射線能譜儀（EDS）面分析，結果如圖12—13 所示。

圖12 載荷5 N 纖維編織材料表面的EDS 面掃圖像Fig.12 EDS Surface sweep image of 5 N fiber braided material surface

載荷為5 N、循環(huán)次數(shù)為1000 次的樣品，從C元素含量分布可觀察到，磨痕表面C 元素分布依然較均勻，仍與纖維分布相一致。O 元素在Kevlar 纖維部分的分布更多，主要由于Kevlar 纖維本身包含了較多氧元素，同時在摩擦過程中存在氧化磨損。循環(huán)次數(shù)為5000 次的樣品表面，C 元素在磨痕區(qū)域的分布減少，局部甚至被完全覆蓋。這是由于該部分的Kevlar 纖維被PTFE 轉(zhuǎn)移膜所覆蓋[21-22]，導致C 元素不能被檢測出來。O 元素分布面積進一步擴大，局部分布較密集，表明隨著磨損程度加深，材料表面Kevlar 纖維氧化的程度不斷加劇。由于PTFE 轉(zhuǎn)移膜的覆蓋，F(xiàn) 元素在PTFE 磨損部分的分布變淺，并隨磨損的加劇，逐漸覆蓋在Kevlar 纖維材料上。

對載荷為10 N 的兩種循環(huán)次數(shù)下的樣品進行EDS 面分析，如圖13 所示。當循環(huán)次數(shù)為1000 時，磨痕表面分布的C 元素減少，而磨痕內(nèi)的F 元素逐漸向四周延伸，并將Kevlar 纖維部分包圍，表明在磨損過程中PTFE 轉(zhuǎn)移膜逐漸將裸露的纖維保護起來。當循環(huán)次數(shù)達到5000 次時，磨痕表面的C 元素分布變密集，而磨痕內(nèi)的F 元素明顯減少，表明該階段PTFE 轉(zhuǎn)移膜流失嚴重，并向兩側堆積，失去了對Kevlar 纖維的保護作用。隨循環(huán)次數(shù)的增加，材料表面O 元素分布不斷擴大，表明材料表面氧化程度加深，同時再次證明本身含有較多O 元素的Kevlar 纖維再次裸露出來。

圖13 載荷10 N 纖維編織材料表面EDS 面掃圖像Fig.13 EDS Surface sweep image of 10 N fiber braided material surface

結合EDS 點分析表明，材料表面纖維在循環(huán)次數(shù)不斷增加的過程中，不斷被形成的PTFE 轉(zhuǎn)移膜保護，但隨著疲勞磨損不斷加劇，PTFE 轉(zhuǎn)移膜會不斷剝落，導致磨斷的纖維暴露在材料表面。同時，剝落的PTFE 轉(zhuǎn)移膜會造成磨粒磨損，進一步加劇材料表面磨損[23-24]。另一方面，磨損程度增加的同時，會導致磨痕表面氧化逐漸嚴重。

3 結論

本研究通過設計試驗，開展了對PTFE/Kevlar 纖維編織材料分別在幾種不同載荷下不同循環(huán)次數(shù)的損傷演變規(guī)律研究。通過對材料磨痕的宏觀和微觀表征，同時根據(jù)其微觀化學狀態(tài)，分析其表面的磨損機理以及損傷演變規(guī)律。主要結論如下：

1）載荷一定的條件下，PTFE/Kevlar 纖維編織材料在循環(huán)次數(shù)低于1000 次時，摩擦因數(shù)隨循環(huán)次數(shù)的增加而增大。循環(huán)次數(shù)達到1000 次后，摩擦因數(shù)的增幅減緩，并趨于平穩(wěn)。3 種載荷條件下，摩擦因數(shù)最終均穩(wěn)定在0.32～0.4。

2）循環(huán)次數(shù)到達大約1000 次之前，編織材料表面不斷磨損的同時，磨痕處不斷形成PTFE 轉(zhuǎn)移膜，將裸露的纖維保護起來。循環(huán)次數(shù)為1000～2000 時，形成了較均勻的PTFE 轉(zhuǎn)移膜，但隨循環(huán)次數(shù)不斷增加，會導致PTFE 轉(zhuǎn)移膜剝落、剝落的PTFE 轉(zhuǎn)移膜形成磨屑，造成磨粒磨損，加劇表面損傷。PTFE 轉(zhuǎn)移膜的形成與被磨壞的循環(huán)次數(shù)范圍，與所受載荷相關。

3）材料磨痕表面的磨損機制主要包括疲勞磨損和磨粒磨損，存在較少的粘著磨損和氧化磨損。材料表面磨損的嚴重程度與磨痕處C 元素的分布情況相關。循環(huán)次數(shù)越多，表面越容易氧化。