玻纤复合材料在油润滑下的摩擦学性能

玻纤复合材料在油润滑下的摩擦学性能

1955年，英国格氏金属公司研究了“du”材料，该材料由三层组成，用改性的青铜-石墨烯-钢后装饰成自润滑动材料。近年来，中国科学家通过改变ptf材料的组件，开发出了性能较好的du类材料，并广泛应用于机械、汽车、航空、化工、食品等行业的设备中。然而，由于低摩擦磨损性能，改性的ptf表面影响零件的尺寸稳定性，整体零件的损坏。用ptf建筑材料填充纤维可以提高机械工程、耐候性和尺寸稳定性。通常，硅烷偶联剂可用于表面处理纤维，提高和聚合物体的结合强度，提高建筑材料的机械工程。然而，用这种传统方法处理的纤维并不够，使纤维和ptf体之间的结合力得到良好的达到，这使得建筑材料的摩擦磨损性能受到影响。因此，我们使用稀土对纤维进行表面处理，提高纤维与ptf体的结合力，提高建筑材料的抗磨性。1实验部分1.1微粉、立吸剂和稀土表面处理剂试验所用原料包括上海氯碱化工总厂生产的SM021-F型PTFE微粉、南京玻璃纤维研究设计院生产的直径小于10μm的玻璃纤维(GF)及南京曙光化工总厂生产的SG-Si900型偶联剂.稀土表面处理剂由实验室自制.1.2纤维原料的填充选用代号分别为A——未经处理、B——经偶联剂处理、C——经偶联剂与稀土复合处理和D——经稀土处理的4种玻璃纤维.在材料SF-1配方的基础上按一定比例分别填充A、B、C和D等4种玻璃纤维,按照PTFE-多孔青铜-钢背三层复合材料的制备工艺制作4种轴承,其编号分别为:B1、B2、B3和B4.所制备的4种轴承样品尺寸为长20.00mm,内径35.05mm,外径39.00mm.1.3摩擦学性能测试在MPV-20型摩擦磨损试验机上,采用一定速度下逐级加载的方法(第一次加载1700N,以后每隔10min加一级载荷,每级1300N)考察了4种PTFE复合材料轴承在30#机械油滴油润滑条件下的摩擦学性能,并参照国标GB7984-87评价了其极限pv值.当采用热电偶测得的摩擦表面温度高于130℃时终止试验,用最终一级载荷计算极限pv值,并记录试验时间.通过测量摩擦力矩确定摩擦系数,并由MPV-20型试验机自动记录.采用千分尺(精度为0.001mm)测出轴承磨痕深度,用磨痕深度除以试验时间得到磨损率.选用45#钢和35#钢电镀铬两种对摩偶件:前者表面硬度为48～53HRC,表面粗糙度Ra=0.8μm;后者表面显微硬度为750～800HV,表面粗糙度Ra=0.8μm.2复合胶凝剂对ptfe复合材料具有耐磨性图1示出了4种PTFE复合材料轴承在滴油润滑条件下分别与45#钢和镀铬钢对摩时的摩擦系数随载荷变化的情况.可以看出:在30#机械油润滑条件下,4种PTFE复合材料轴承的摩擦系数都随着径向载荷的增大而减小,最小摩擦系数低于0.002,这与张招柱等的研究结果基本一致.对摩件材质和滑动速度对摩擦系数随载荷变化的趋势无影响.由图1还可以看出,在相同试验条件下,经稀土处理玻璃纤维填充的轴承(B4)在初始加载时的摩擦系数较大,随后摩擦系数变化平稳并达到最小值;而未经处理玻璃纤维填充的轴承(B1)摩擦系数随负荷变化的波动最大,摩擦性能最差.表1列出了4种PTFE复合材料轴承与45#钢和镀铬钢对摩时的磨损率.可以看出:在给定的试验条件下,稀土处理玻璃纤维填充轴承(B4)的磨损率比其它3种轴承的小,耐磨性比B1轴承提高了1～3倍,比B2轴承提高了60%;在30#机械油润滑条件下,4种PTFE复合材料轴承耐磨性的优劣顺序为:B4>B3>B2>B1.表2列出了4种PTFE复合材料轴承分别与45#钢和镀铬钢对摩时的极限pv值.可以看出:在2种配副条件下,B4轴承的极限pv值最高,分别比B1轴承的提高了126%和149%,比B2轴承的提高了61%和92%,比B3轴承的也略有提高.综合图1与表(2和3)可知,在油润滑条件下,表面处理玻璃纤维填充PTFE复合材料的摩擦系数比未处理玻璃纤维填充PTFE复合材料的低,耐磨性较优;其中稀土处理玻璃纤维填充PTFE复合材料具有最低的摩擦系数及最高的耐磨性和极限pv值.图(2和3)所示分别为4种PTFE复合材料轴承与45#钢和镀铬钢对摩的磨损表面形貌SEM照片.可见:在油润滑条件下,与镀铬钢对摩的4种PTFE复合材料轴承的磨损较为严重,这是由于与镀铬钢对摩时的极限负荷较高且偶件材质的影响使得PTFE复合材料耐磨性变差,这与文献报道相一致.另外,从图(2和3)还可看出:未经处理玻璃纤维填充PTFE复合材料轴承(B1)磨损表面有大量片状PTFE,呈现粘着和塑性变形特征[图2(a)和图3(a)],这是由于玻璃纤维与PTFE的界面结合力较弱,玻璃纤维难以起到增强作用,PTFE极易因偶件表面硬质微突体的刮削作用而发生粘着转移;偶联剂处理玻璃纤维填充PTFE复合材料轴承(B2)磨损表面较粗糙,出现了PTFE拉丝现象,并可见从PTFE基体裸露和脱落出来的玻璃纤维[图2(b)和图3(b)],呈现出磨粒磨损特征,这是由于经偶联剂处理后的玻璃纤维与PTFE的界面结合未得到明显改善,玻璃纤维在摩擦过程中可导致复合材料表面擦伤;偶联剂与稀土处理玻璃纤维填充PTFE复合材料轴承(B3)的磨损表面存在明显的犁沟和粘附的玻璃纤维颗粒[图2(c)和图3(c)],可以看出其磨损机理主要是磨粒磨损;稀土处理玻璃纤维填充PTFE复合材料轴承的(B4)磨损表面较光滑,有少量小薄片状PTFE且磨痕极浅[图2(d)和图3(d)],主要表现为粘着磨损和轻微磨粒磨损特征,这是因为此时玻璃纤维与聚合物基体的结合较好,不易被拉拔和脱离聚合物基体.上述结果表明,玻璃纤维经稀土表面处理后,其与PTFE基体之间的界面结合力增强,玻璃纤维不易从基体中脱落,且分布在摩擦表面的玻璃纤维可阻止PTFE形成片状磨屑,从而抑制PTFE的过量转移和磨失,提高复合材料承受载荷及抗塑性变形能力以及摩擦磨损性能.从以上分析可知,在油润滑条件下,未经处理玻璃纤维填充PTFE复合材料的磨损形式主要为粘着转移,偶联剂处理玻璃纤维填充PTFE复合材料和偶联剂与稀土处理玻璃纤维填充PTFE复合材料的磨损机制相同,均以磨粒磨损为主,而稀土处理玻璃纤维填充PTFE复合材料的磨损机理主要为粘着磨损和轻微磨粒磨损.3该处理的磨损机理a.在油润滑条件下,表面处理玻璃纤维填充PTFE复合材料的摩擦系数比未处理玻璃纤维填充PTFE复合材料的低,耐磨性亦较优;而稀土处理玻璃纤维填充PTFE复合材料具有最低的摩擦系数及最高的耐磨性和极限p