软碳填充PTFE复合材料摩擦磨损性能研究
聚四氟乙烯(PTFE)具有优异的减摩性和良好的自润滑性, 但耐磨性较差。目前国内外对PTFE的研究重点集中在寻找适当的方法对其进行改性, 一般采用填充改性、表面改性和共混改性等方法弥补PTFE自身的缺陷。随着碳材料技术水平的提高和应用范围的推广, 出现了许多新型碳材料。许多学者对不同碳材料填充复合材料摩擦磨损性能进行了研究。软碳是通过高温裂解有机芳香族化合物或者亚稳态沥青获得的, Bus的尺寸为(20～100)×10-10m, 它们能够形成层间入混合物或氧化石墨,在远低于最高热处理(HTT)温度的情况下就能够形成无序态碳。软碳是锂离子电池负极的主要板, 可大大增加有效攻击范围。将软碳作为填料增强复合材料摩擦磨损的研究鲜有报道。本文作者采用软碳增强PTFE复合材料的摩擦磨损性能, 考察了其含量对复合材料摩擦磨损性能的影响。利用扫描电子显微镜探讨了复合材料的磨损机制。
1、试验部分
1.1、材料制备
所用PTFE为济南化工厂生产, 平均粒度50μm,软碳平均直径小于等于400nm。试验材料的制备是将软碳按质量分数5%、7%、10%、15%加入到PTFE中, 用高速搅拌机混合, 经过预冷压烧结成型,机加工成毛坯制品, 按实验要求将材料铣成试样, 在800#金相砂纸上打磨, 用干棉球擦干净。试样尺寸为6mm×7mm×30mm。
1.2、试验方法
采用MM-200型摩擦磨损试验机, 在转速为200r/min、时间为30min及干摩擦滑动条件下, 测定试样在不同填料含量、不同载荷作用下的磨损质量损失(用精度为0.1 mg的光电分析天平称出) 及摩擦因数(通过计算摩擦力矩计算) 。对偶件为45#钢环, 其尺寸为<45mm ×10mm, 表面粗糙度为Ra0.08～0.12μm。用JSM-6300型扫描电子显微镜( SEM) 对软碳填充复合材料磨损表面的形貌进行观察分析, 硬度用HR2150A洛氏硬度计测量。
2、试验结果与讨论
2.1、材料的硬度
表1为不同含量软碳PTFE复合材料的洛氏硬度。从表中可知: 随软碳含量的增加, PTFE复合材料的洛氏硬度逐渐增大, 说明软碳能提高PTFE复合材料的硬度。质量分数为5%～10%时, 硬度增加1.5～1.6倍, 增加幅度变化并不明显, 而当质量分数达到15%时硬度较大, 约为纯PTFE的2.4倍。增强材料和基体材料组成的复合材料, 其硬度特性主要由复合材料的组元性能和组元间的结构性能所决定。
表1 不同含量软碳填充PTFE复合材料的硬度
软碳作为增强材料, 在复合材料中作为主要承载物质, 以网络状在基体中均匀分散分布, 由于其有高的比强度和弹性模量, 能有效地阻止复合材料塑性变形的发生, 使体系的强度提高。且随着含量的增加, 在复合材料中网状分布更加密集, 基体材料塑性变形的程度更小, 其强度增大。但是由于填料与基体的结合是机械结合, 复合材料中基体与填料的界面会存在缺陷, 含量过高可能反而会降低复合材料的强度、硬度等机械特性。
图1 PTFE在不同载荷下的磨损质量损失
2.2、摩擦磨损性能
图1为PTFE在不同载荷下的磨损质量损失。图2(a)为软碳填充PTFE复合材料在不同填料含量下的磨损质量损失。从图中可以看出, 载荷一定时, 复合材料的磨损量随软碳含量的增加而减小, 说明软碳的加入可以大大提高PTFE的耐磨性。PTFE复合材料的磨损量相比纯PTFE下降了1～2个数量级。但当软碳质量分数超过7%时, 磨损量随含量的变化不大, 甚至在软碳质量分数达到15%时有所增加, 这可能是由于颗粒含量的增加一方面阻碍了聚合物基体产生黏着磨损, 提高了复合材料的耐磨性能; 另一方面, 随颗粒含量增加, 复合材料的磨损以磨料磨损为主, 在磨损过程中会产生纤维脱落, 成为松散磨料,颗粒含量增加的同时松散磨料的数目也逐渐增大, 在一定程度上加剧了对复合材料的磨料磨损, 正反两方面作用的结果必然存在最佳颗粒含量, 在本试验条件下PTFE基复合材料中颗粒的最佳含量为7%。在填料含量相同时, 随着载荷的增加, 磨损量也增加。
图2 软碳填充PTFE复合材料在不同填料含量下的磨损质量损失
