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        石墨/Cr2O3協(xié)同改性PTFE/硅灰石材料摩擦學(xué)性能

        2022-02-25 07:48:14魏莉嵐魏剛蔣雨江許榮霞吳潔萃
        工程塑料應(yīng)用 2022年2期
        關(guān)鍵詞:硅灰石磨損率摩擦系數(shù)

        魏莉嵐,魏剛,蔣雨江,許榮霞,吳潔萃

        (西華大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,成都 610039)

        聚四氟乙烯(PTFE)又稱“塑料王”,由于分子鏈獨(dú)特的螺旋構(gòu)象,其氟原子緊密地包裹住易受化學(xué)破壞的碳鏈骨架[1-2],分子間的吸引力和表面能較低,從而使PTFE具有低摩擦系數(shù)、優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性、電絕緣性和耐高低溫性能等[3-5]。目前,PTFE常作為動(dòng)密封材料廣泛地應(yīng)用于航天航空、石油化工、機(jī)械船舶、乘用車和工程機(jī)械等領(lǐng)域[6-7]。然而純PTFE的耐磨性和抗蠕變能力較差,受到載荷時(shí)容易出現(xiàn)冷流現(xiàn)象,導(dǎo)致其在高速高壓等苛刻工況下很容易出現(xiàn)磨損而造成密封失效[8–9]。

        目前,為了改善PTFE的摩擦磨損性能,國內(nèi)外研究主要集中在采用無機(jī)纖維、無機(jī)納米粒子、特種聚合物粉末或金屬粉末等增強(qiáng)材料及其與固體潤滑顆粒復(fù)合對PTFE進(jìn)行改性,如玻璃纖維、納米二氧化硅、碳纖維-石墨(Gr)、硅灰石-Gr、聚苯酯-二硫化鉬、青銅-二硫化鉬等增強(qiáng)材料與潤滑組分復(fù)合對PTFE摩擦學(xué)性能的影響[10–19],而有關(guān)Cr2O3與Gr復(fù)合對PTFE/硅灰石復(fù)合材料摩擦磨損性能的影響還少見報(bào)道。

        筆者首先考察硅灰石對PTFE力學(xué)性能和摩擦學(xué)性能的影響,在此基礎(chǔ)上,進(jìn)一步研究Gr及其與Cr2O3復(fù)合改性對PTFE/硅灰石摩擦磨損性能的影響,并對復(fù)合材料的磨損機(jī)理進(jìn)行探討。

        1 實(shí)驗(yàn)部分

        1.1 主要原材料

        PTFE:M-18F,粒徑25 μm,日本大金工業(yè)株式會(huì)社;

        針狀硅灰石:直徑6.5 μm,長徑比10∶1,江西新余市思遠(yuǎn)礦業(yè)有限公司;

        Gr:粒徑4 μm,上海一帆石墨有限公司;

        Cr2O3:粒徑40 μm,南京智寧新型材料有限公司;

        乙醇:分析純,成都市科龍化工試劑廠。

        1.2 主要設(shè)備及儀器

        電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱:DB-210SC型,成都天宇試驗(yàn)設(shè)備有限責(zé)任公司;

        高速混合機(jī):SHR10L型,蘇州松遠(yuǎn)環(huán)??萍加邢薰?;

        平板硫化機(jī):XLB-400×400型,青島亞東橡塑機(jī)械有限公司;

        裁樣機(jī):GT-7016-AR型,高鐵檢測儀器(東莞)有限公司;

        微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī):E44.104型,美特斯工業(yè)系統(tǒng)(中國)有限公司;

        掃描電子顯微鏡(SEM):JSM-5900LV型,日本電子株式會(huì)社;

        摩擦磨損試驗(yàn)機(jī):M-2000型,濟(jì)南宏達(dá)實(shí)驗(yàn)儀器有限公司;

        光學(xué)顯微鏡:VME400型,深圳智泰精密儀器有限公司。

        1.3 試樣制備

        先將PTFE粉料于電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱120℃干燥4 h,然后加入一定量的針狀硅灰石,Gr或Cr2O3于高速混合機(jī)內(nèi)攪拌均勻,將混合料于平板硫化機(jī)上壓制成90 mm×10 mm×4(1.5)mm 的片材,然后將壓制好的片材放在燒結(jié)爐中燒結(jié)成型,燒結(jié)溫度為375℃,保溫3 h,實(shí)驗(yàn)配方見表1。

        表1 實(shí)驗(yàn)配方 %

        1.4 性能測試

        按照GB/T 1040.1–2018,測試PTFE復(fù)合材料的拉伸性能,每個(gè)試樣測量5次,取其平均值。

        按照GB/T 3960–2016,測試PTFE復(fù)合材料在室溫、干摩擦條件(200 N,200 r/min)下的環(huán)-塊摩擦磨損性能,試樣尺寸為30 mm×7 mm×4 mm,對偶為45#鋼,直徑40 mm,試驗(yàn)時(shí)間2 h。試驗(yàn)前,用800#砂紙將對偶表面打磨光亮,然后用無水乙醇清洗、自然晾干。摩擦過程中記錄摩擦力矩值,實(shí)驗(yàn)結(jié)束后計(jì)算出試樣的摩擦系數(shù)和體積磨損率。

        SEM測試:將摩擦實(shí)驗(yàn)后的試樣表面進(jìn)行噴金處理,然后在不同倍率下觀察磨損面形貌特征。

        2 結(jié)果與討論

        2.1 力學(xué)性能

        PTFE試樣拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率如圖1所示。從圖1可看出,與純PTFE試樣A相比,單獨(dú)加硅灰石作為填料時(shí),隨著硅灰石含量增加,PTFE/硅灰石復(fù)合材料(試樣B~F)的拉伸性能和斷裂伸長率均呈現(xiàn)出先增加后降低的趨勢。當(dāng)硅灰石質(zhì)量分?jǐn)?shù)在5%時(shí),試樣B的拉伸強(qiáng)度最高,達(dá)到35.06 MPa,相比純PTFE提高了43.64%,斷裂伸長率提高了84.65%。之后,隨著硅灰石含量增加,拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率逐漸降低。在試樣D基礎(chǔ)上再加入Gr,PTFE/硅灰石/Gr復(fù)合材料(試樣G~I(xiàn))的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率表現(xiàn)出逐漸降低趨勢。其中,試樣I的拉伸強(qiáng)度達(dá)到最低,僅有10.74 MPa,比純PTFE低60.6%,斷裂伸長率降低了85.99%。在試樣H基礎(chǔ)上再加入Cr2O3時(shí),試樣J~L的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率呈現(xiàn)先降低后升高變化趨勢。

        圖1 PTFE材料拉伸性能

        2.2 摩擦磨損性能

        圖2為在相同干摩擦實(shí)驗(yàn)條件下,不同類型PTFE復(fù)合材料的摩擦系數(shù)隨時(shí)間的變化曲線。從圖2可以看到,純PTFE試樣A的摩擦系數(shù)隨摩擦?xí)r間延長而逐漸下降,到1 h時(shí),摩擦系數(shù)降低到0.21,此時(shí)因試樣磨損很厲害而無法繼續(xù)進(jìn)行。而不同類型的改性PTFE復(fù)合材料(試樣B~L)的摩擦系數(shù)隨時(shí)間的變化都表現(xiàn)出先減小后增大再逐漸達(dá)到穩(wěn)定的趨勢。在摩擦初期階段,與對偶接觸的試樣表面更多地表現(xiàn)為純PTFE基體的摩擦行為,摩擦系數(shù)降低。但隨著摩擦的進(jìn)行,試樣中的填料逐漸與對偶表面接觸,摩擦界面上更多地表現(xiàn)為對偶與填料之間的滑動(dòng)摩擦作用,從而導(dǎo)致摩擦系數(shù)開始增大。當(dāng)摩擦實(shí)驗(yàn)進(jìn)行到1 h后,各改性PTFE復(fù)合材料的摩擦系數(shù)逐漸趨于穩(wěn)定。

        圖2 PTFE材料摩擦系數(shù)隨時(shí)間的變化曲線

        圖3為各試樣在穩(wěn)定階段的摩擦系數(shù)和相應(yīng)的磨損率。從圖3可以看出,隨著硅灰石含量的增加,PTFE/硅灰石復(fù)合材料(試樣B~F)的穩(wěn)定摩擦系數(shù)呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢。純PTFE試樣A因在200 N的摩擦實(shí)驗(yàn)條件下試樣很快磨損而提前終止,故而沒有計(jì)算其磨損率。當(dāng)硅灰石質(zhì)量分?jǐn)?shù)從5%增加到15%時(shí),試樣的穩(wěn)定摩擦系數(shù)從0.195增大到0.205,均低于純PTFE試樣的摩擦系數(shù)。但當(dāng)硅灰石的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加到20%以上時(shí),試樣的穩(wěn)定摩擦系數(shù)逐漸增大,且明顯高于試樣A的摩擦系數(shù)。同時(shí),PTFE/硅灰石復(fù)合材料的體積磨損率隨硅灰石質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而逐步降低。PTFE基體中填充的硅灰石在摩擦過程中起到了支撐載荷的作用,阻礙了PTFE帶狀晶體的滑移,減少了對偶對摩擦表面的摩擦作用,使得PTFE/硅灰石復(fù)合材料的磨損率降低。當(dāng)硅灰石的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到15%時(shí),PTFE/硅灰石復(fù)合材料的體積磨損率下降到1.32×10-5mm3/(N·m)。

        綜合考慮PTFE/硅灰石復(fù)合材料的摩擦系數(shù)和磨損率的大小,以硅灰石質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%的試樣D為基礎(chǔ),考察Gr對PTFE/硅灰石復(fù)合材料摩擦學(xué)性能的影響。從圖3可以看出,隨著Gr質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加,PTFE/硅灰石/Gr復(fù)合材料(試樣G~I(xiàn))的摩擦系數(shù)呈現(xiàn)出緩慢增大的趨勢,而試樣的磨損率則先減小后增大。當(dāng)Gr的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%時(shí),PTFE/硅灰石/Gr復(fù)合材料的摩擦系數(shù)為0.23,此時(shí)體積磨損率為0.77×10-5mm3/(N·m);當(dāng)Gr的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加到10%時(shí),復(fù)合材料的摩擦系數(shù)為0.245,此時(shí)體積磨損率達(dá)到最低,為0.22×10-5mm3/(N·m);進(jìn)一步增加Gr的質(zhì)量分?jǐn)?shù)到15%時(shí),PTFE/硅灰石/Gr復(fù)合材料的摩擦系數(shù)為0.25,此時(shí)體積磨損率增加到0.40×10-5mm3/(N·m)。

        圖3 PTFE材料摩擦系數(shù)與磨損率

        在保持填料總質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%的前提下,以試樣H為基礎(chǔ)進(jìn)一步添加適量Cr2O3并調(diào)整Gr的質(zhì)量分?jǐn)?shù),考察PTFE/硅灰石/Gr/Cr2O3復(fù)合材料(試樣J~L)的摩擦系數(shù)和體積磨損率的變化規(guī)律。從圖中可以看出,與試樣H(摩擦系數(shù)為0.245)相比較,當(dāng)Cr2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%時(shí),PTFE/硅灰石/Gr/Cr2O3復(fù)合材料的摩擦系數(shù)(為0.25)基本保持不變,而體積磨損率進(jìn)一步降低,僅有0.13×10-5mm3/(N·m)。此后隨著Cr2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加,復(fù)合材料的摩擦系數(shù)和體積磨損率都出現(xiàn)明顯的增大。

        2.3 磨損機(jī)理分析

        圖4是硅灰石與Gr和Cr2O3協(xié)同改性PTFE試樣在室溫、干摩擦條件下磨損面的SEM照片。

        圖4 PTFE材料磨損表面SEM圖

        從圖4a及其插圖(試樣A磨損面放大形貌)可以看出,純PTFE的磨損表面呈現(xiàn)出明顯的塑性變形和犁溝痕跡,這是由于純PTFE在外力作用下容易產(chǎn)生帶狀晶體滑移,抵抗變形的能力較差,對偶表面的微凸體嵌入摩擦表面而導(dǎo)致其磨損嚴(yán)重。從圖4b~4f可以看出,當(dāng)硅灰石含量較少時(shí)(5%),復(fù)合材料磨損表面的塑性變形得到了抑制,但硅灰石質(zhì)量分?jǐn)?shù)過少未能有效阻止對偶表面微凸體對試樣的犁削作用,反而加劇了硅灰石在摩擦表面上的磨粒磨損,留下明顯的溝槽。當(dāng)硅灰石質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加到10%上時(shí),摩擦過程中硅灰石在基體中起到了較好的支撐載荷作用,阻止了對偶上微凸體對摩擦表面的嵌入,塑性變形基本消失,對偶的犁削作用和磨粒磨損都明顯減弱。當(dāng)硅灰石質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%時(shí),磨損表面變得光滑平整,表現(xiàn)為輕微的磨粒磨損特征,此時(shí)的磨損率大幅降低。隨著硅灰石質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)一步增加到20%以上時(shí),從圖4e和圖4f可見過多的硅灰石在摩擦過程中暴露于磨損表面,部分硅灰石脫落并產(chǎn)生磨粒磨損溝槽,磨損表面出現(xiàn)明顯的“泛白”現(xiàn)象。

        在硅灰石質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%的基礎(chǔ)上,添加不同含量的Gr,如圖4g~圖4i所示。與試樣D的磨損面相比較,適量Gr的加入明顯抑制了PTFE基體的帶狀晶體滑移,阻止了PTFE磨屑的產(chǎn)生及硅灰石在摩擦中的脫落,這也會(huì)導(dǎo)致試樣的摩擦系數(shù)有較大程度的增大。此外,具有片層狀的Gr在摩擦過程中受到剪切作用時(shí)容易發(fā)生層間滑移而產(chǎn)生潤滑作用,使得試樣的摩擦系數(shù)有所減小。上述兩個(gè)效應(yīng)相疊加,最終使得試樣的摩擦系數(shù)出現(xiàn)增大的現(xiàn)象,但這兩種效應(yīng)都會(huì)降低試樣的磨損率。當(dāng)Gr含量過高時(shí),試樣在摩擦面上呈現(xiàn)出明顯的疲勞磨損行為,磨損率反而開始增大。

        在試樣H基礎(chǔ)上,進(jìn)一步添加適量Cr2O3代替相應(yīng)含量的Gr。從圖4j~圖4l可以看出,當(dāng)Cr2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%時(shí),復(fù)合材料的磨損面更加光滑平整,沒有明顯的犁溝和磨屑,疲勞磨損幾乎消失,表現(xiàn)為輕微的磨粒磨損。但當(dāng)Cr2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加到3%以上時(shí),試樣摩擦表面出現(xiàn)寬且深的犁溝和明顯的疲勞磨損脫落痕跡。

        圖5是放大80倍光學(xué)顯微鏡下部分PTFE試樣的轉(zhuǎn)移膜形貌照片。從圖5a和圖5b可以看出,當(dāng)硅灰石質(zhì)量分?jǐn)?shù)從15%增加到25%時(shí),轉(zhuǎn)移膜上的PTFE磨屑和脫落的硅灰石明顯減少,但轉(zhuǎn)移膜的完整性變差,試樣的摩擦系數(shù)增大。圖5c是在15%硅灰石的基礎(chǔ)上添加10% Gr的試樣H,與圖5a相比,其形成的轉(zhuǎn)移膜更加均勻完整,但試樣表面的硬質(zhì)粒子對轉(zhuǎn)移膜產(chǎn)生了明顯的刮擦破壞作用。圖5d~5f分別對應(yīng)試樣J,K和L的轉(zhuǎn)移膜,可以看出,當(dāng)Cr2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%時(shí),對偶上形成的轉(zhuǎn)移膜變得非常致密完整、厚度薄且均勻,其表面只有輕微的刮擦痕跡。進(jìn)一步增大Cr2O3含量時(shí),過多的Cr2O3粒子反而對轉(zhuǎn)移膜產(chǎn)生了嚴(yán)重的刮擦破壞,轉(zhuǎn)移膜變得不均勻完整,以致產(chǎn)生磨屑留在轉(zhuǎn)移膜上面,試樣的磨損率開始增大。

        圖5 PTFE試樣轉(zhuǎn)移膜形貌光學(xué)照片

        3 結(jié)論

        (1)隨著硅灰石質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加,PTFE/硅灰石復(fù)合材料的體積磨損率逐漸降低,而摩擦系數(shù)呈現(xiàn)出先降低后增加的趨勢。純PTFE的摩擦系數(shù)為0.21,當(dāng)硅灰石質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%時(shí),復(fù)合材料的摩擦系數(shù)為0.205,體積磨損率為1.32×10-5mm3/(N·m)。

        (2)在15%硅灰石的基礎(chǔ)上添加固體潤滑劑Gr能進(jìn)一步降低復(fù)合材料的體積磨損率,但摩擦系數(shù)會(huì)略微增加。在保持填料總含量和硅灰石質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為25%和15%不變的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步添加適量Cr2O3代替相應(yīng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的Gr,當(dāng)硅灰石、Gr和Cr2O3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為15%,9%和1%時(shí),復(fù)合材料的體積磨損率最低,僅有0.13×10-5mm3/(N·m),相應(yīng)的摩擦系數(shù)為0.25。

        (3)磨損機(jī)理分析表明,純PTFE磨損面呈現(xiàn)出明顯塑性變形和犁溝痕跡。當(dāng)硅灰石質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%時(shí),其在摩擦過程中起到了較好的支撐載荷作用,阻止了對偶上微凸體對摩擦表面的嵌入,塑性變形基本消失,表現(xiàn)為磨粒磨損的特征。在此基礎(chǔ)上,添加9% Gr和1% Cr2O3時(shí),對偶上形成了非常致密完整、厚度薄且均勻的轉(zhuǎn)移膜;磨損面光滑平整,沒有明顯的犁溝和磨屑,表現(xiàn)為輕微的磨粒磨損行為。

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