（光学工程专业论文）聚四氟乙烯基固体润滑剂的结构、制备及性能研究.pdf

摘要 本研究论文以摩擦学、高分子材料基本理论为指导，以水轮发电机镶嵌 轴承用固体润滑剂为研究对象，进行高分子基复合材料的摩擦学行为的全面 研究。经过查阅大量国内外文献资料后确定原料为：聚四氟乙烯树脂为基体， 加入石墨、二硫化铝、铜粉、碳纤维等填料；试验方法为：根据均匀试验方 法设计配方，用样条函数找出配方与摩擦性能的关系，然后在拟合曲线上选 取具有代表性的试验点进行验证试验，达到优化的目的；制各工艺：冷压烧 结法制备固体润滑剂。 用s e m 表征原料微观结构、摩擦表面及润滑转移膜表面形貌；用x r d 进行原料物相分析，及比较水冷却、空气冷却、随炉冷却三种工艺条件下的 纯聚四氟乙烯树脂的结晶度：用d s c t g 分析纯聚四氟乙烯树脂及固体润滑 剂的热稳定性；月x p s 表征碳纤维表面、固体润滑剂摩擦前后表面、润滑转 移膜表面的元素组成、价态变化；用销盘式摩擦磨损试验机对固体润滑剂进 行摩擦性能测试；采用专用的台架模拟试验机对固体润滑剂镶嵌轴承套与钢 轴摩擦副间的摩擦磨损性能进行测定；用莱次偏光显微镜( p m ) n 试固体润滑 剂的硬度；用材料试验机测试固体润滑剂的抗压强度等。试验结果表明： 所选原料的尺寸、形状及纯度可满足固体润滑剂的性能要求：聚四氟乙 烯树脂热分解温度超过4 0 0 ，但在p t f e 中加入无机填料会使复合材料吸水 率提高，熔融温度及分解温度降低，且伴有氧化分解反应；碳纤维表面含有 c = o 及c o c 等极性基团，有利于提高其与其它组分的相容性，提高层间 剪切强度；均匀设计试验方法能够用较少的试验次数找出配方与摩擦性能间 的关系，拟合曲线基本能表示各配方的摩擦系数发展趋势：配方中不加铜粉 或不加石墨，其摩擦系数均较高，说明铜粉和石墨应该配合使用：当铜粉1 5 份、石墨6 0 份时，铜粉3 0 份、石墨3 0 4 0 份时，铜粉6 0 、石墨1 5 3 0 份时， 摩擦系数均具有较低值；纯聚四氟乙烯树脂在空气冷却时结晶度最大，磨损 量也是三者中最大的：同时，固体润滑剂试样在空气冷却时的磨损量也是三 者中最大的：不论是固体润滑剂与4 5 # 钢轴配副或是固体润滑剂镶嵌入铜套 后与g c r l5 钢轴配副，在金属表面均可形成润滑转移膜，从而减少金属摩擦 副表面间的直接接触，大大延长其使用寿命；转移膜中主要含有较多的石墨、 少量聚四氟乙烯、m o o ，、f c s o 。、c u s 等物质；烧结及摩擦均使固体润滑 剂表面发生化学变化，使m o 、s 、f e 等元素的价态发生变化；纯p t f e 的显 微硬度最低，固体润滑剂的表面硬度基本是随着填料加入量的增加而增加的 纯p t f e 的抗压强度最低，在p t f e 树脂中加入无机填料均可明显提高其抗压 强度，但并不是加入量越多，抗压强度提高越明显。填料加入过多，不但影 响成型加工性( 易断裂) ，而且影响抗压强度。 本研究论文的创新点： 1 、对聚四氟乙烯树脂为基体的高分子复合材料摩擦学行为进行了较全面的 研究； 2 、根据均匀试验方法设计配方，用样条函数找出配方与摩擦性能的关系， 然后在拟合曲线上选取具有代表性的试验点进行验证试验，达到优化的目 的： 3 、通过聚四氟乙烯与无机填料的复合，研制出一种专用于水轮发电机组镶 嵌轴承用的固体润滑剂。 关键词：聚四氟乙烯固体润滑剂水轮发电机组镶嵌轴承摩擦磨损 h a b s t r a c t b a s e do nt h eb a s i c p r i n c i p l e s o f p o l y m e r m a t e r i a la n d t r i b o l o g y t h e c o m p r e h e n s i v ei n v e s t i g a t i o n o nt h e t r i b o l o g y b e h a v i o ro f p o l y m e r - m a t r i x c o m p o s i t em a t e r i a lh a sb e e nm a d ea b o u ts o l i dl u b r i c a n tu s e di nt h ee m b e d d e d b e a r i n gf o rh y d r a u l i cg e n e r a t o r a f t e r1 0 0 k i n gu pal a r g ea m o u n to fn a t i v ea n d f o r e i g ni n f o r m a t i o n t h em a t e r i a l su s e di ut h ee x p e r i m e n tw e r ea sf o l l o w s ：p n 咀 b a s e ，g r a p h i t ef i l l e r , t o o l y b d e n u md i s u l f i d ef i l l e r , c o p p e rp o w d e rf i l l e r , c a r b o n f i b e ra n ds oo n t h ee x p e r i m e n t a lm e t h o di st h a tt h ef o r m u l aw a sd e s i g n e d a c c o r d i n g t ou n i f 0 1 - me x p e r i m e n t a lm e t h o d ，t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nf o r m u l aa n d 衔c t i o n a lp r o p e r t yw a sf o u n dw i t hs p l i n ef o n c t i o na n dt h e nt h er e p r e s e n t a t i v et e s t p o i n t sw e r ec h o s e nf r o mf i t t i n gc u r v et om a k ev e r i f i c a t i o nt e s tf o ro p t i m i z a t i o n t h e p r e p a r a t i v et e c h n i q u eo f s o l i dl u b r i c a n ti sc o l d - p t e s ss i n t e r i n gm e t h o d t h e m i c r o s t r u c t u r e ，f r i c t i o ns u r f a c e ，l u b r i c a n tt r a n s f e rf i l ms u r f a c eo fb a s e m a t e r i a lw a sc h a r a c t e r i z e db vs e m ：) c r dw a su s e dt od op h a s ea l i a l y s i s t 1 l e d e g r e e so fc r y s t a l l i n i t yo fp u r ep t f eu n d e rt h ed i f i e r e n tc o n d i t i o n so fw a t e r c o o l i n g , a i rc o o l i n ga n df u r n a c e v a r y i n gc o o l i n gw e r em a d ec o m p a r i s o nb yx r d t h et h e r m a ls t a b i l i t yo f p u r ep 1 下e a n ds o l i d 】u b r i c a n tw a s a n a l y z e db vd s c - t g ： t h e c o m p o s i t i o n a n dv a l e n c es t a t eo fe l e m e n t si nt h es u r f a c eo fc a r b o n f i b e r s o l i dl u b r i c a n tb e f o r ea n da f t e rf r i c t i o nt e s ta n dl u b r i c a n tt r a n s f e rf i l mw e r e c h a r a c t e r i z e db y x p s ；t h ef r i c t i o n a lp r o p e r t yo fs o l i dl u b r i c a n tw a st e s t e db yp i n a n dd i s kt e s t r i g n ef r i c t i o n a l w e a rp r o p e r t yo fs o l i dl u b r i c a n tb e t w e e n e m b e d d e db e a r i n gs l e e v ea n ds t e e la x l ef r i c t i o np a i rr i n gw a st e s t e db ys p e c i a l s i m u l a t et e s tm a c h i n e ，t h eh a r d n e s so fs o l i dl u b r i c a n tw a st e s t e db yp m ；t h e c o m p r e s s i o ns t r e n g t ho fs o l i dl u b r i e a n tw a s t e s t e db ym a t e r i a lt e s tm a c h i n e t h er e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h ed i m e n s i o n ，s h a p ea n dp u r i t yo fb a s em a t e r i a l c o u l dm e e tt h ef u n c t i o n a ld e m a n do fs o l i dl u b r i c a n t ；t h et h e r m a ld e c o m p o s i t i o n t e m p e r a t u r eo fp 斑r e s i ne x c e e d s4 0 0 o c b u to r g a n i ca n di n o 略a n i cp a c k i n g f i l l e ra d d e di np r f em a d et h ew a t e ra b s o r p t i o nr a t eo fc o m p o s i t em a t e r i a i i n c r e a s e d ，m e l t i n gt e m p e r a t u r ea n dd e c o m p o s i t i o nt e m p e r a t u r ed e c r e a s e d ，i nt h e m e a n w h i l eo x i d a t i v ed e c o m p o s i t i o nr e a c t i o nw a sa c c o m p a n i e d ；p o l a rg r o u p s s u c ha sc = o c 0 ca n ds oo ni nt h ec a r b o nf i b e rs u r f a c ei s a d v a n t a g e o u st o i n c r e a s ec o m p a t i b i l i t yw i t ho t h e rc o m p o n e n t sa n di n t e r l a y e rs h e a r i n gs t r e n 乎h ； u n i f o r md e s i g ne x p e r i m e n t a lm e t h o dc o u l dh e l pt of i n dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e n f o r m u l aa n df r i c t i o n a lp r o p e r t yb y r e l a t i v e l ys m a l l t e s t s 1 h ed e v e l o p i n gt r e n do f e a c hf o r m u l a sf r i c t i o nc o e f f i c i e n tc o u db es h o w e db y f i u i n gc u r v e ；t h ef r i c t i o n c o e f f i c i e n tw i t hn oc o p p e rp o w d e ro rg r a p h i t ei nf o r m u l aw a s r e l a t i v e l yb i g 1 1 1 i s f a c ts h o w e dt h a tc o p p e r p o w d e r a n d g r a p h i t es h o u l db eu s e dc o o p e r a t i v e l y ；i tw a s f o u n dt h a tw h e nt h er a t i oo f c o p p e rp o w d e r t o g r a p h i t eb yw e i g h t i s 1 5 ：6 0 ，3 0 ：3 0 4 0a n d6 0 ：1 5 3 0r e s p e c t i v e l y , t h ef r i c t i o no d e f f i c i e n tw a sr e l a t i v e l y s m a l l n ed e g r e eo f c r y s t a l l i n i t yo fp u r ep m r e a c h e dm a x i m u m b y a i rc o o l i n g a n dt h ea b r a s i o nl o s sa l s or e a c h e dm a x i m u m a m o n g t h r e eo n e s ；a tt h es a n l et i m e t h ea b r a s i o nl o s so fs o l i dh b d c a n t s a m p l e w a sa l s ot h eb i g g e s t a m o n g t h r e e o n e s ； w h e ns o l i di u b r i c a n tm a t c h e dw i t h4 5 # s t e e la x l eo rg c r l 5s t e e la x l e 1 u b r i c a n t t r a n s f o rf i l mc o u l db ef o r m e do nm e t a ls u r f a c e t h u sd i r e c tc o n t a c tb e t w e e nt h e s u r f a c eo fm e t a lf r i c t i o np a i rr i n g sw a sr e d u c e d t 1 l e i r w o r k i n g l i f ew a se l o n g a t e d e x t r e m e l y ；t h e r ew a sm a i n l ym u c hg r a p h i t e ，al i t t l ep n 砸m 0 0 3 ，f e s 0 4 ，c u s a n ds oo ni nl u b r i c a n tt r a s s f e rf i l m s i n t e r i n go rf i i c t i o na l lb r o u p 血ta b o u t c h e m i c a lc h a n g ei nt h es u r f a c eo fs o l i dl u b r i c a n ta n dt h ec h a n g eo fv a l e n c es t a t e o fm o ，s ，f ea n ds oo n ：t h em i c r o - h a r d n e s so fp u r ep n = ew a sm i n i m u ma n dt h e s u r f a c e - h a r d n e s so fs o l i dh b r i c a n tw a si n c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s eo fa d d i t i o n a l p a c k i n gm l c r i nf o r m u l a ；t h ec o m p r e s s i v es t r e n g t ho f p u r ep t f e w a sm i n i m u m a n di t sc o m p r e s s i v es i r e n g t hc o u l db ei n c r e a s e dn o t a b l yb ya d d i n go r g a n i ca n d i n o r g a n i cf i l l e r b u t n o tm o r ea d d i t i o n a l a m o u n t ，m o r en o t a b l ei n c r e a s eo f c o m p r e s s i v es t r e n g t h w h e n t h e i ra d d i t i o n a la m o u n tw a se x c e s s i v e n o t o n l y m o u l d a b i l i t ya n dp r o c e s s a b i l i t y b u ta l s oc o m p r e s s i r es t r e n g t hw 鹤i n f l u e n c e d t h i sr e s e a r c h si n n o v a t i o n s ： 1 t h e c o m p r e h e n s i v er e s e a r c ho nt h et r i b o l o g yb e h a v i o r o fp t f e - m a t r i x p o l y m e rc o m p o s i t em a t e r i a lh a sb e e nd o n e ； 2 a c c o r d i n g t ou n i f o r m e x p e r i m e n t a lm e t h o d ，t h e f o r m u l ah a sb e e nd e s i g n e d a n dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nf o r m u l aa n df r i c t i o n a lp r o p e r t yh a sf o u n d e dw i t l l s p l i n ef u n c t i o n t h e nt h er e p r e s e n t a t i v et e s tp o i n t sw e r e c h o s e nf r o m f i t t i n gc u r v e t od ov e r i f t c a t i o nt e s tf o r o p t i m i z a t i o n ； 3 as o l i dl u b r i c a n tu s e ds p e c i a l l yi nt h ee m b e d d e db c a r i n gf o rh y d r a u l i c g e n e r a t o rs e th a sb e e nd e v e l o p e db ym e a n so ft h ec o m p o s i t eo fp t f e o r g a n i c a n di n o r g a n i c p a c k i n g f i l l e r k e y w o r d s ：p 1 下e ，s o l i dl u b r i c a n t ，t h ee m b e d d e db e a r i n g f o r h y d r a u l i cg e n e r a t o r f r i c t i o n a lw e a r 武汉理工大学颊士学位论文 第一章绪论 1 1 引言 水轮发电机是在低速、重载、往覆运动、泥水等特殊工况条件下工作的 专用设备，其主叶片轮轴承适宜用镶嵌型固体润滑轴承。即将高分子树脂基 复合材料制成固体润滑剂，镶嵌入铜合金基材，与钢组成摩擦副，服役于水 轮发电机组。 固体润滑剂是典型的复合材料，指利用软金属、金属化合物、无机物和 有机物等固体粉末、薄膜或某些整体材料来减少两相对运动的承载表面之间 的摩擦磨损作用。能够适应高温、高压、低速、高真空、强辐射等特殊使用 工况，特别适合于给油不方便、装卸困难的场合。这门新兴的科学技术虽然 历史不长，但经济效果好，适应范围广，发展速度快【1 _ ”。 材料的复合化是材料发展的必然趋势之一。目前，人们已经充分认识到： 当单一物质材料的摩擦学性能已经不能满足生产、生活的要求时，自然会想 到组合两种或更多军申的物质，来提高材料的摩擦性能，满足现实社会的各种 需要。复合材料的发展受到人们的普遍关注，复合材料可经设计，即通过对 原材料的选择、各组分分布设计和工艺条件的保证等，使原组分材料优点互 补，因而呈现出色的综合性能【7 】。因此，对摩擦学复合材料的研究是解决材 料减摩及耐磨问题的重要途径之一，使聚合物基复合材料的开发和利用更为 普遍。为了改善聚合物材料的耐磨性能，人们采用的方法之一是向聚合物基 体中加入纤维、无机粉末、多种有机物以及合金粉末等作为第二相填料，对 其进行复合化。在加入各种填料后，复合材料耐磨性能得到较大幅度的提高， 在一定程度上可用来替代铸铁、铜等金属部件。而且处理方法简单，易于实 现，并且成本也大为降低，适宜推广应用 8 - 9 1 。 1 2 固体；闰滑剂及固体润滑轴承的现状 1 2 1 固体润滑剂的历史及现状 固体润滑的历史可以追溯到较远的年代，很早以前，石墨和滑石等就被 用来作为润滑剂了。但是，这门学科直到第二次世界大战之后才获得发展， 例如：在第二次世界大战期间，美国空军在其航空发动机润滑油中，加入了 固体润滑剂；1 9 5 0 年鲍登和泰博( b o w d e n a n dt a b o r ) 发表了有关于摩擦的 武汉理工大学硕士学位论文 专著：1 9 5 2 年美国编制了关于二硫化钼的第一个军用规格( w l l - 7 8 6 6 ) ，将 其作为军事机密；1 9 5 7 年，前苏联把固体润滑材料应用于人造卫星东方1 号；1 9 6 0 年全世界生产的添加二硫化钼的润滑油和润滑脂的产量达到5 万 吨。6 0 年代，陶瓷粘结二硫化钼膜和金属自润滑复合材料的开发，使得超音 速飞机r s 7 0 问世，其上1 0 0 0 个部位实现了固体润滑；随后，二硫化钼溅 射膜和离子镀膜相继出现，氟化石墨研制成功。在以后发射的气象卫星、国 际通讯卫星、宇宙卫星、宇宙飞船等航天航空工程中，大量使用各种各样的 固体润滑材料；1 9 7 1 年在美国召开了第一次国际固体润滑学术交流会。从此 以后，固体润滑被公认为一个独立的学科。在1 9 7 1 年以后世界各工业国， 如美国、苏联、英国、西德、日本、法国等都先后投入了大量的人力、物力 开展对固体润滑的理论与技术研究p o l 。 近四十年来，固体润滑材料及应用研究得到了迅速的发展。就材料的种 类来说，己从单一的粉末、粘结膜或整体材料如石墨、二硫化钼、聚四氟乙 烯等进而发展成为多种组分、组成的各类复合材料，并且吸取了现代科学技 术的某些最新工艺技术，如静电喷涂、射频溅射、离子镀、离子注入、高频 烧结等都己广泛应用于固体润滑的研究及其材料的制备。在材料方面除了开 发出二硫化钨、二硒化铌、氟化石墨、氮化硼等新型固体润滑剂外，还研制 出各种超薄润滑膜、整体金属基或非金属基复合材料和多层复合自润滑材 料。为了探索润滑机理，电镜、能谱、探针都已得到应用。近十年来，通过 把磨损试验与扫描电镜、电子能谱分析等现代测试手段相结合，高聚物磨损 的量度与表征技术取得了很大进展，从宏观测定摩擦系数、磨损速率、摩擦 温度、极限p v 值，发展到微观考察摩擦表面的状况；从磨损表面的形貌研 究发展到摩擦表面化学的研究；从静态间歇测定几个点的参数，发展到动 态连续考察磨损的全过程。这些进展为人们深刻认识高聚物摩擦磨损的本 质，从而控制高聚物的磨损提供了有启示的信息。 我国固体润滑的研究始于二十世纪五十年代末期，六十年代初期，固体 润滑材料在一些国防、军工单位得到了较为满意的应用效果。1 9 6 2 年在兰州 召开了“全国第一次摩擦磨损与润滑研究工作报告会议”后，固体润滑的研 究得到了较快的发展。从六十年代初期开始，上海塑料研究所、四川晨光化 工研究院、北京化学所、兰州化学物理所、成都工学院等单位在塑料基自润 滑复合材料的研究方面，进行了大量的工作。我国已经研制了以酚醛、尼龙、 武汉理工大学硕士学位论文 聚四氟乙烯、聚甲醛、聚乙烯、聚砜、聚苯硫醚、聚酰亚胺、聚全氟乙丙烯、 聚双马来酰亚胺等为基体的自润滑复合材料。七十年代初，在滚动轴承中， 用含有固体润滑剂填料的塑料保持架得到了很大的发展；在七十年代中还发 展了用玻璃纤维、石墨纤维、碳纤维以及金属纤维、聚四氟乙烯纤维增强、 改性的各种塑料基复合材料的衬套、轴承、密封垫片、活塞环等具有自润滑 性能的零部件 1 1 1 。我国在固体润滑材料方面，近四十年来有了较大的发展。 有关的研究工作十分活跃，并且已经解决了一些国防尖端和国民经济建设中 的课题。先后发展了百余种固体润滑材料、创建各种类型的评价方法、实验 设备。但是过去的成果，多偏重于经验、模仿和应用，基础研究以及新型固 体润滑材料结构和试验设计方法的探索工作不多：已有的固体润滑材料，质 量还不够稳定，品种远没有标准化、系列化、与国际先进水平相比，还存在 着差距。 1 2 2 滑动轴承的现状 滑动轴承是工业上用得很普遍、研究最多、最早的一类轴承。当时由于 工业技术发展的需要，特别是随着航天工业、原子能的利用等失端技术的发 展，在一些特殊工况条件下( 如高温、超低温、高负荷、强辐射等) ，用油 脂润滑的滑动轴承已经不能满足使用条件的要求，或者在某些工况条件下不 便用油脂作润滑剂，或者根本不允许用油脂润滑。在固体润滑剂得到迅速发 展的同时，固体润滑轴承也应运而生。 固体润滑剂在轴承上的应用实际经历了以下4 个阶段： 1 ) 纯锡青铜制轴套与钢组成摩擦副：摩擦系数大、易磨损、消耗铜材： 2 ) 工程塑料( 聚甲醛或尼龙) 制备的轴套：耐热性差、热膨胀系数大、热 导率低、机械强度比金属材料差： 3 ) 在钢背上烧结一层铜粉，再在铜层上贴附一层聚四氟乙烯片材( 即d u 类材料) 或聚甲醛一钢背材料( 即d x 材料) 制备的轴套。尽管聚四氟乙烯 及聚甲醛摩擦系数很小，但易蠕变、强度很低、耐磨性差、工艺复杂： 4 ) 锡青铜轴套上镶嵌固体润滑剂：这类轴套有易于启动、摩擦力小、维修 方便、使用温度范围宽、耐腐蚀性好、承载能力高、能耗低、环境清洁，以 及因不用油脂而省掉润滑系统等优点( 见图1 1 ) 。 武汉理工大学硕士学位论文 f i 9 1 1s c h e m a t i cd i a g r a mo fs o l i dl u b r i c a n te m b e d d e db e a t i n g 目前国内外大容量水轮发电机上，大量使用镶嵌固体润滑轴承。金属基 镶嵌型固体润滑剂作为产品是在4 0 年代由美国m e r r i m a n 公司首先出售的。 60 年代初，英国的g l a c i e r m e t a l c o l t d 公司首先研制成功多层复合自润滑 材料( 英国称之为d u 材料) 。7 0 年代中期，美国、日本、英国进行了大量的 研究工作，发表了许多研究论文，同时，系列产品也相继问世。例如，日本 的o i l e si n d u s t r i a lc o l t d 自润滑材料公司有1 4 个系列，上千个品种的自润 滑轴承部件产品，其中o i l e s # 5 0 0 s p l s l 4 0 1 专用于水轮发电机组。在1 9 7 8 年第二次国际固体润滑会议上，美国兰赛拉理工学院( r e n s s e l a e rp o l y t e c h n i c i n s t i t u t e ) 的教授s e m u r r a y 在论文“复合自润滑材料应用述评”中，介绍了 把聚四氟乙烯嵌入增强酚醛材料中来减少摩擦所取得的效果。日本学者 j a k a o k a 在这次会议上介绍了“吊桥塔吊连杆栓用嵌入固体润滑剂轴承的磨 损试验” 1 2 , 1 3 。 我国对各类固体润滑轴承的研究起步并不晚，早在六十年代初期兰州化 学物理研究所曾以“塑料轴承”立题进行了研究，尔后又对各类干膜型固体 润滑轴承、粉末冶金轴承、d u 轴承、镶嵌型轴承都作了大量的研究工作， 并获得多项成果。七十年代，镶嵌式轴承随引进的冶金设备进入我国市场。 八十年代，武汉粉末冶金研究所、中国科学院兰州化学物理研究所、成都科 技大学、上海材料所等单位对镶嵌型固体润滑轴承，从轴承的机械结构、材 质的选择、嵌入的润滑材料以及镶嵌方式等都进行了有益的探索，研制出部 分产品，在冶金、矿山和工程机械等方面进行了推广应用，并取得了一些成 效 1 4 - l ”。 d 武汉理工大学硕士学位论文 镶嵌型低速重载滑动轴承的研究分为两大部分内容。一是有关轴承材质 与结构形式设计的研究；另一部分内容是轴承的润滑问题。仔细研究国外的 技术资料后，即可发现已公布的结构并不是最佳的结构；嵌入的润滑材料在 稍高的温度下使用也不理想。在我国这种轴承还未进行深入的研究和广泛的 应用，目前，水轮发电机镶嵌固体润滑轴承国外同类产品的售价在2 0 万元 以上，需定期更换。因此，对固体润滑剂及镶嵌轴承的制备、结构及性能的 全面、深入研究，实现产品国产化，具有理论和现实意义1 1 9 - 2 q 。 1 3 论文的研究内容 本论文以水轮发电机组轴承为特例，开展水轮发电机组镶嵌轴承用固体 润滑剂的结构、制备及各种性能研究。本论文各章的主要内容如下： 第一章绪论。本章详细综述了论文研究的目的及意义，国内外发展情 况综述，论文的研究内容。 第二章固体润滑剂原料结构、配方设计及优化。在本章中，用s e m 观察了固体润滑剂所选用的原料的微观结构：用x r d 对原料物相进行了分 析；用d s c - t g 测定了聚四氟乙烯树脂的热稳定性；用x p s 对碳纤维表面 化学组成及元素价态进行了表征；同时对原料的吸水性进行了测定。根据均 匀试验方法设计配方，并对所设计的配方体系进行摩擦性能试验；用样条函 数对试验数据进行拟合，指出配方与摩擦系数间的关系，最后在拟合曲线上 选取具有代表性的试验点进行验证试验，达到优化的目的。 第三章固体润滑剂及镶嵌轴承套的制备。在本章中，采用冷压烧结工 艺制备固体润滑剂，并用x r d 对水冷却、空气冷却、随炉冷却三种工艺条 件下的纯聚四氟乙烯树脂试样进行了结晶度比较；采用实验室销盘式摩擦磨 损试验机，对纯聚四氟乙烯树脂及聚四氟乙烯基固体润滑剂三种冷却工艺条 件下的试样，分别进行了摩擦试验比较；采用专用的台架模拟试验机对固体 润滑剂镶嵌轴承套的摩擦磨损性能进行测定：用s e m 对摩擦试验后表面及 所形成的润滑转移膜表面形貌进行了表征。 第四章固体润滑剂性能研究。在本章中，根据配方优化结果，选出较 优的配方进行物理、力学、表面化学、熟性能试验。采用莱茨偏光显微镜， 观察固体润滑剂表面显微组织结构、测定样品的显微硬度( h v ) ，采用材料 试验机测试了固体润滑剂的抗压强度i 采用x 一光光电子能谱仪分别对固体润 5 武汉理工大学硕士学位论文 滑剂烧结前后的试样、摩擦试验后的固体润滑剂表面、对在4 5 舞钢表面所形 成的转移膜等分别进行x p s 试验：采用差热和失重分析仪对固体润滑剂复合 材料进行d s c t g 测定。 武汉理工大学硕士学位论文 第二章固体润滑剂原料结构、配方设计及优化 水轮发电机组负荷重、体积大、使用条件恶劣，不能经常更换，故不能 使用液体润滑材料。为减少磨损、降低摩擦及噪音，延长寿命，便于检修， 避免水质污染，利于环保，必须采用固体润滑剂。固体润滑剂是复合体系， 其指标考核项目较多( 摩擦系数、磨损量、强度、硬度、热性能、摩擦表面 化学变化等) ，助剂与性能间的关系不确定，同时各助剂间存在较多的协同 作用，因而该配方设计是一个典型的多因素、多水平、多指标配方实验。因 此，本论文先对所选择的原材料的结构、组成进行表征及分析；根据资料、 经验、工艺条件等因素确定原材料的用量范围，然后应用均匀试验方法设计 配方，依据试验数据进行计算机试验，用样条函数对试验数据进行拟合，指 出配方与摩擦性能间的关系，最后在拟合曲线上选取具有代表性的试验点进 行验证试验，达到优化的目的。 2 1 固体润滑剂的原料选择 1 1 聚四氟乙烯( p t f e ) p t f e 具有独特的螺旋形链结构，其晶体由平行排列的折叠链形成片晶 堆积而成带状多晶聚集体，结晶部分将粘性的无定形部分相互分隔开，由外 界力作用引起无定形p 1 1 = e 部分变形，而c c 主链完全被由氟原子组成的外 壳包围，构成完整的圆柱体。这种棒状构型的p t f e 分子间的吸引力很弱， 分子间容易滑动，从而易在摩擦偶件表面形成转移膜 2 5 - 3 0 。如图2 1 所示。 在所有的工程塑料中，p 鼍具有最低的摩擦系数f 一般为0 0 4 - - 0 ，0 5 ) 、最高 的使用温度区间以及最低的表面能，这使得p t f e 在摩擦磨损领域中有着十 分特殊的地位1 3 1 - 3 4 】。但p n = e 也存在一些不足之处，如强度较小、硬度低、 磨损率高、在外力作用下有较大的粘弹性变形和导热性差等，限制了它在实 际中的应用。为此，可用在p t f e 基体中填充金属、无机固体润滑剂、高聚 物等填料的简单有效方法进行改性：同时可以调整冷却速率控制p t f e 的晶 体尺寸、结晶度等来提高其耐磨性，进一步拓宽其应用领域1 3 5 - 3 6 1 。 武汉理工大学硕士学位论文 f j 薛1s t r u c t u r e m o d e lo fp t f eb a n d e d c r y s t a l l i z a t i o n 2 ) 石墨 石墨外观呈黑色有脂肪质的滑腻感，具有明显的层状六方晶体结构，且 结构稳定，密度为2 2 2 3 9 c c m3 ，熔点为3 5 2 7o c 。石墨的分子结构使同一 层内的碳原子牢固地结合在一起，不易破坏，而层与层之间的结合力较弱， 受剪切力作用后易滑移。石墨的粘着性很好，能吸附在对偶面上，阻碍磨损 的进行：同时能够支持垂直于基础面的负荷，所以承载能力强，摩擦系数小。 通常石墨的摩擦系数为0 ，0 5 - - 0 1 9 。石墨的化学稳定性好，不溶于药品和溶 剂，且无毒性。同时，石墨具有优良的抗辐射性；具有可以与水共存、价格 较低等优点1 3 7 - 4 0 ，石墨的晶体结构如图2 2 所示。 3 1 二硫化钼( m o s a ) m o s ，外观呈黑灰略带兰色，有滑腻感，是从辉钼矿提纯而得到的一种 矿物质，属于六方晶系的层状结构，密度为4 5 - - 4 8 9 c m3 ，熔点1 1 8 5 。 m o s ，晶体是由s m o s3 个平面层组成的单元层。在单元层内部，每个钼原 子被三棱形分布的硫原子包围着，它们以很强的共价键联系在一起。层与层 之间以较弱的分子力相连接，m o s ，极易从层与层之间劈开，所以具有良好 的固体润滑性能。m o s ，的摩擦系数为0 0 6 左右。其中的硫是活性元素，能 与金属表面的原子发生较强的吸附作用，因而m o s ，在金属表面的粘着力特 强，在摩擦时不易破坏，增强了p t f e 的粘附力，所以它能承受较高的负荷 i 4 1 - 4 7 】。对m o s ，转移膜与金属底材表面间粘附作用解释主要有以下三种观 点： 武汉理工大学硕士学位论文 ( 1 ) 由于覆盖m o s ，膜而使底材表面能降低： ( 2 ) m o s ，与底材的化学亲和性； ( 3 ) m o s ，压入底材或陷入底材表面凹部，并以此为核心来凝聚。 二硫化钼的晶体结构如图2 3 所示。 ；壤臻。 i j 可i j 镱簿：、 ! ：曩 噫粒 f i 9 2 2c r y s t a l s t r u c t u r eo fc a r b o n f i 9 2 3 c r u s t a ls t r u c t u r eo fm o l y b d e n u m d i s u l f i d e 4 1 青铜粉 青铜粉的主要成分是锡、锌、铅和铜。添加金属粉末旨在提高高分子复 合材料的传热性、摩擦磨损性能、尺寸稳定性和抗蠕变性，但同时会使摩擦 系数增大，影响加工性能等，故铜粉的量不宜太多，且要混合均匀，否则会 引起偏析。在烧结过程中，青铜粉中的铜和锡形成一定量的口固溶体，具有 强度高，耐磨性好、摩擦系数稳定的特点，而锌和铅又是减摩性较好的金属 固体润滑剂，对p t f e 具有良好的作用。另外，青铜粉中的铅、铜等金属的 氧化物使p 吧分子部分发生了变化，引入c - - - - o 或c o h 基团，可改善界 面的摩擦状态。青铜粉既有一定的承载作用，又在一定程度上阻止了p t f e 带状结构的破坏 4 s - 5 1 1 。 5 、碳纤维( c f ) 碳纤维具有碳素材料的各种优良性能，同时还具有纤维的柔曲性。如： 抗拉强度、弹性模量高，因为其比重小( 为钢的1 5 左右) ，故其比模量、比 强度很高，其比强度为7 0 1 8 0 ，而钢为4 5 ，玻璃纤维为1 0 0 1 4 0 ；抗蠕变、 疲劳能力优越；导电性、导热性好，介于金属与非金属之间；热膨胀极小； 9 武汉理工大学硕士学位论文 耐腐蚀性好，除强氧化酸以外，都不受影响。碳纤维由于其仍属脆性材料， 一般很少单独使用，而是增强其它基体，组成增强复合材料。在p t f e 基复 合材料摩擦过程中，随着p 毛的不断磨损，碳纤维在摩擦面上富集，起若 支持负荷的作用 s z - s 3 1 。 6 ) 聚酰亚胺( p i ) 聚酰亚胺是一类具有重复酰胺键的有机高分子，它是工程塑料中的耐高 温品种之一。由于p 1 分子主链由芳环和六元环组成，因此具有机械强度高、 耐磨性能好、优异的热稳定性、高温高真空下也很稳定，因此是一种很有价 值的摩擦副材料。同时，p i 具有抗辐照、耐大多数化学试剂和溶剂、低摩擦 磨损等优点，因此很有潜力，应用于工业和航空、航天等领域的摩擦系统中。 但因目前成本较高，应用范围受到一定的限制 5 4 - 5 6 。 通过对以上六种原材料的结构、性能及物相进行分析可知：聚四氟乙烯 可以保证较低的摩擦系数，填料均匀地分散在p t f e 基体中，改善了p t f e 的整体结构，起到了有效地支撑强化作用，阻止了p t f e 带状结构大面积破 坏，从而降低磨损；同时填料可促进偶件表面转移膜的形成，并增强转移膜 与偶件表面的结合力。故理论上所选材料较为合理，但需要进行配方、工艺、 性能检测来加以验证。 2 2 配方设计 t a b l e 2 1q u a n t i t yl i m i t so fr a wm a t e r i a l 原材料聚四氟乙石墨二硫化钼青铜粉碳纤维聚酰皿胺 堕! 坚里塑! 翌! ! z ! 呈生! 竺：业 重量百分比1 0 0 0 6 0 0 3 0 0 6 00 2 00 1 0 填料量增加时，一般情况下产品导热性提高、摩擦系数增大、耐磨性提 高、承载能力提高；但加入太多时则使聚合物( p t f e ) 不能成为连续相，甚至 在冷压时发生断裂；又因密度相差较大( p t f e 与青铜粉) 发生偏析而各组 分混合不均匀。填料用量太少，不但摩擦系数有所提高，而且耐磨性、承载 能力提高并不大，即改性不显著，故各种原材料的用量必须控制在一定范围 内。具体范围见表2 1 。 武汉理工大学硕士学位论文 配方号p 1 1 砸石墨铜粉 碳纤维 过去对于这种多样性和复杂性的配方体系均采用工作经验设计，带有一 定的偶然性，目前，不少人仍采用正交设计法1 。为了考虑数据的均衡分散 性和整齐可比性，从全面实验中选出部分点进行实验，使得这些点能反映实 验范围内各因素和实验指标间的关系；同时利用有限的数据可获得更多的实 验信息，本文利用均匀试验方法设计配方1 5 8 一删，配方设计见表2 2 。 武汉理工大学硕士学位论文 2 3 实验部分 2 3 1 固体润滑剂原料物相表征方法 ( 1 ) 扫描电镜( s e m ) 仪器：s x 4