69国内精品一区二区三区 高分子常规复合材料的摩擦磨损行为

近几十年来，随着科学技术的发展，人们对材料的使用要求也越来越高，普通 的均一单质的材料已经不能满足不断增长的多方面的需求。因此它们的应用也受 到限制，各种新型的*材料也应运而生。*材料的种类很多，包括以金属和非 金属材料为基体的具有各种充填物的复合材料。在本书中，我们只介绍*高分 子材料。为了改善纯高分子材料的力学性能，一般加入增 强纤维如玻璃、碳及石棉 或纤维编织物，以及各种金属粉、氧化物等的颗粒填充组成复合型高分子材料。

就 摩擦磨损 方面来说，不同填料对高分子材料 摩擦 磨损 性能的改善程度是不 同的，其相关机理也不相同，如铜粉、铝粉、青铜粉 等填料主要靠自身的抗蠕变性、 抗压强度、硬度及尺寸稳定性来提高复合材料的耐 磨损 性能；而铅粉、石墨、二硫化 钼、氮化硼等填料主要是靠其自润滑性、热稳定性 、耐化学稳定性的特点来弥补高 分子材料的不足；还有一些填料是靠自身的补强性能来提高高分子材料的 摩 擦 磨 损性能，如碳纤维、玻璃纤维、织物、晶须等。

由于构成*高分子材料的填料可以起到各种不同的作用，因此选择合适的 方法对其分类在高分子材料 摩擦 研究领域显得比较重要，国 外有人提出根据填料 在材料中所起的两种作用进行分类： ①填料用来改 善整体性能； ②填料用来改善界 面性能。这样，可以把*高分子材料分成两类：整体改性材料(在软质基体中加 入硬而强的填料);界面改性材料(在硬而强的基体中加入软而具有润滑性的填 料 )。

20世纪90年代，国外有人系统研究了固体润滑剂、无机填料等对高分子材料 摩擦磨损 行为的影响。相比无机填料，固 体润滑剂(如聚四氟乙烯、石墨等) 可以使 摩擦系数 和 磨损 率同时降低；其中聚四氟乙烯，而石墨次之。对于 金属填料，其 摩擦磨损 结果比较复杂，主要依赖于填料和高分子材料的 性能。另 外，填料对 磨损 率的影响往往存在一个最佳填充比。有人 研究了二硫化钼、石 墨、玻璃纤维、碳纤维等填料对聚四氟乙烯的改性的影响，结果发现填料可使聚四 氟乙烯的 磨损 率降低2个数量级；硬质填料比软质填料效果要好，但是硬质填料却 使 摩擦系数 提高。另有研究发现[25,26],液晶材料 能明显改善聚四氟乙烯的耐磨 性能，而 摩擦系数 略有上升。在高温下熔融的液晶 聚合物具有很好的流动性，在合 金体系中沿 磨损 率的空隙向周围迁移流动形成微纤，在合适的配比下 ，这些微纤相 互连接，在基体内形成致密而均匀的立体网络，起 到了增强作用，从而改善聚四氟 乙烯的耐 磨损 性能。文献27发现，不同的填料对聚四氟乙烯的 磨损 性能的影响差 别很大(图5-4),添加Pb ₃ O ₄ 、Cu、Si ₃ N ₄ 填料的PTFE 磨损 率较小，即此类填料对 耐磨性能的改善较好，材料的 磨损 性能主要与对偶表面的转移膜的形态有关。巴 哈杜尔等研究了 CuS 对 PEEK 摩擦磨损 性能的影响，发现：在单独加入 CuS 的条件下，随着 CuS 含量的增加，虽然 PEEK 的 摩擦系数 一直呈稳定的上升趋势， 但是 PEEK 的耐 磨损 性能提高了2~3倍。国内有研究者对聚四氟乙烯使用稀 土进行改性处理后，基体的 磨损 率降低了1或2个数量级，研究证明稀土的加入具 有细化晶粒和润滑的作用。

概括起来说，高分子材料的 摩擦磨损 行为属于动态的系统问题，其影响因素涉 及载荷、速度、温度、表面接触状态、环境条件等诸多因素。 高分子材料具有黏弹性 特征以及不良的导热性和较低的热稳定性，这些特性将使其 摩擦磨 损 性能与广泛 使用的金属材料明显不同。另外，高分子材料的分子结构、相对分子质量大小、元素和官能团排列以及填充材料组分、组合、用量比例等也会对材料 摩 擦磨损 性能产 生很大的影响。

1.工况条件的影响

高分子材料所涉及的工况条件主要有压力 (P, 载荷)、速度 (v) 及工作温度 (T) 等，使用压力对其性能的影响比较明显。表5-7给出了常用高分子材料的使 用参数。可以看出：材料的强度越高、刚性越大、 摩擦 副的减摩自润滑性能越好，摩 擦副的承载能力就越大。

有研究者探索了碳纤维 (CF) 等无机填 料增强的聚四氟乙烯材料在低、中、 高载荷下的 摩擦磨损 行为：材料的 摩擦系数 随载荷的增大而降低；在低、中 载荷下， 材料的 磨损 率变化不大，但在较高载荷下，其 磨损 率明显增加。对不同载荷下 磨损 与变形的相关研究表明，在载荷达到一定极限值之前，材料一直保持相当低的 磨损 率，而当使用载荷接近或超过此极，材料呈现明显的 磨损 。

速度和温度对高分子材料承载能力也有很大的影响。通常，在速度增加时，高 分子材料相应的承载能力都有不同程度的降 低，这主要是由于 摩擦 功耗及 摩擦 偶 件热负荷的增大，将导致表面工作温度的上升， 从而造成表层材料性质变化和 摩擦 润滑状况的劣化所致。另外，随着环境温度的提高，在相同的速度、载 荷条件下，摩 擦副的 摩擦磨损 性能将显著降低。需要指出，由于材料特性 的差异，温度对不同高 分子材料的承载能力的影响规律各不相同，常温下聚甲醛和尼龙的 压缩强度远大 于聚四氟乙烯；但随着温度的升高，二者的承载能力迅速 下降，丧失了在机械强度 性能方面的优势。

2.增强组分与高分子基体的协同效应

通常，具有减摩性的高分子材料与金属材料配副使用时，显示出良好的 摩擦 磨 损行为，但是高分子材料存在着屈服强度低、抗蠕变、耐高温能力差、导热性不良以 及热膨胀 系数 大等缺陷。通过加入某些增强组分并通过合理的配 方设计，可以改 善某一方面或几方面的性能要求。配方组分的选择应通过模拟试验确定， 特别需 要关注填充组分与高分子基体的复合协同作用。例如，在聚四氟乙烯中加入 15%~25%的玻纤可以使耐磨性能提高10 0~1000倍；但是，同样的玻纤填充到尼 龙中也作为轴承材料，却容易发生卡轴事故。总起来说，不同的高分子基体、不同 的环境条件、不同的润滑状况，对于减摩和增强填充材料都有一个最佳组合的问 题。高分子基体和填充组分之间的协同效应好，与工况条件相 匹配，材料的 摩擦 磨 损特性和综合性能就越好。

高分子纳米复合材料的摩擦学行为

自20世纪80年代开始，人们发现当材料的特征尺度降低到纳米尺度时，会出 现明显不同于宏观尺度下常规材料的一些全新的性质，形成了一 个全新的研究领 域；而在 摩擦 学领域，纳米材料也逐渐得到了广泛的研究，部分成果也已经得到 应用。

纳米效应与纳米摩擦学

纳米材料在电学、磁学、光学、热学、化学和力学性能等方面表现出常规材料所 不具备的奇异性能。主要是由于其有如下四个效应： ①表面效应；②小尺寸效应； ③量子尺寸效应；④宏观量子隧道效应。

纳米 摩擦 学或称微观 摩擦 学或分子 摩擦 学，是在原子、分子尺度上研究 摩擦 界 面上的行为、损伤及其对策。纳米 摩擦 学狭义上主要研究内容包括纳米薄膜润滑 和微观 摩擦磨损 机理，以及表面和界面分子工程，即通过材料表面微观改性或分子 涂层，或者含在纳米尺度上对 摩擦 表面改性和排布原子，发展表面和界 面分子工 程；从广义上来说，只要 摩擦 学系统中涉及纳米 级尺度的问题都可归属于纳米 摩擦 学的研究范畴。

5.6.2典型纳米填料改性高分子材料的摩擦磨 损性能

20世纪90年代初期，中科院兰州化物所的科研人员较早进行了优良性能的 高分子纳米复合材料 摩擦 学的研究工作，考察了加入 Si ₃ N ₄ 纳米颗粒的 PEEK 材 料[34]的 摩擦 学性能；材料的 摩擦系数 随纳米颗粒含量的增加而下降，而 磨损 率随 纳米颗粒含量的增加先下降而后上升。载荷增大后， 摩擦系数 和 磨损 率都明显降 低。进入21世纪，聚四氟乙烯纳米复合材料的 摩擦 学行为才有 正面结果的报道， 人们首先对 ZnO 纳米颗粒改性 PTFE 的 摩擦 学性能进 行研究[35];结果表明，随着 摩擦 速度的增加，改性后的 PTFE 的 摩擦系数 有所降低；随载荷 的增加，其 摩擦 系 数明显下降。就 PI 纳米复合材料来说，随着 Al ₂O₃ 纳米颗粒含量的提高，材料的 摩擦系数 和 磨损 失重均呈现先降低后增加的趋势[36];而 PI 中加入纳米 LaF ₃ 颗粒 后(37),其耐磨性的改变也存在类似关系。

人们对高分子纳米复合材料的 摩擦 学机理进行了讨论，认为[34-36]:在 摩擦 磨 损过程中， PEEK 、 PTFE 、 PI 等会在对偶件表面 形成一层转移膜，纳米颗粒加入后， 这层转移膜的强度增加，高强度的转移膜使得 磨损 表面光滑，磨屑少，保证 摩擦 副具有更低的 摩擦系数 和 磨损 率；但过量纳米颗粒的加入，将可能导致界面强度 的降 低而使 磨损 率升高。

其他比较典型的高分子基体材料还有环氧树脂和尼龙等。就环 氧树脂与碳钢 配副来说，经 Si₃N₄ 纳米颗粒改性后，系统的 摩擦系数 与环氧树脂的 磨损 率均明显 下降[38];存在一个 Si ₃N₄ 纳米颗粒的合适添加比例使 摩擦磨损 性能，但 磨损 性能与 摩擦 性能的最佳加人量并不一致。就尼龙材料来说，添加 SiC 纳米颗粒后， 可使尼龙66的耐磨性提高，但过量 SiC 纳米颗粒加入(>10%),也会导致 磨损 的 增加[39]。

另一方面，许多文献对常规微米级填料与纳米填料的 协同作用进行了探索。 在石墨填充后 PTFE 材料，再加入纳米颗粒后，材料的 摩擦磨 损 性能有可进一步得到改善，如有人[40]对 SiO₂ 、 TiO₂ 等纳米颗粒与石墨混合填充 PTFE 复合材料的摩 擦 磨损 性能进行了研究；结果表明，由于填充材料的支承 作用和石墨的润滑作用， 形成了具有高强度减摩特性的转移膜，材料的 磨损 性能显著优于单一加入纳米颗 粒条件下，其中以纳米 SiO₂ 和石墨共同填 充 PTFE 复合材料的 磨损 质量损失最小。 ,20世纪90年代出现的一维纳米颗粒-碳纳米管对 高分子材料 摩擦 学行为影 响也有许多报道。碳纳米管加入到 PTFE 材料中后，改变了 PTFE 的微观结构，阻 碍了 PTFE 在 摩擦 过程中纤维状结构的大面积破坏，极大地提高了 PTFE 复合材料 的耐磨性能并使其具有一定的自润滑性[41],随着其填充量的增加， PTFE 基复合 材料的 摩擦系数 与 磨损 率呈下降的趋势。当碳纳米管在 PTFE 基复合材 料中的体 积分数为15%～20%,碳纳米管/ PTFE 复合材料的 磨损 率仅为纯 PTFE 的1 /240和 1/290;而含有15%～20%石墨的相应的复合材料 其 磨损 率只是纯 PTFE 的1/50 (见图5-5)

纳米填料与微米填料摩擦磨损行为的比较

用纳米复合材料代替微米复合材料的有效性在许多实验室 得到验证。Rong 等比较了微米 TiO₂ 和纳米 TiO₂(10nm) 对环氧耐磨性的影响。研究结果表明， TiO₂ 纳米粒子能够显著地降低环氧的 磨损 率，但是 微米TiO ₂ 粒子做不到。Ng等人在更 早的报道中也有类似的结论。 Yu 及其合作者研究了微米铜微粒 以及纳米铜微粒 填充的聚甲醛 (POM) 复合材料的 摩擦 学性能。微米铜改性 POM 复合材料的 磨损 特征是擦伤和黏着，而纳米铜的是塑性变形，因此磨耗量降低。 Xue 和 Wang 发现 与微米 SiC 相比，纳米 SiC 可以使聚醚醚酮 (PEEK) 的 磨损 率 降得更低。这是因为 在碳钢环和纳米 SiC 填充的复合材料 摩擦 块的配合面上，可形成薄而均一、黏性的 迁移膜。

因为纳米填料可以赋予聚合物特殊的功能，而微米复合 材料做不到这些，所以 纳米复合材料成为耐磨材料和润滑材料家族的重要一员。这是一个既有理论意义又有实际意义的课题。要作为 摩擦 学应用材料，高分子纳米复合材料必须同时满 足4个相互关联的条件：组分选择、低成本工艺、 制造和性能。人们对这几方面及 其之间的相互依赖性的认识还处于初级阶段，并不了解。但是，复合材料的最 终应用要求将催生出许多新的观点和看法。