摘 要:對兩種典型的聚合物基固體自潤滑材料聚四氟乙烯(PTFE)和聚酰亞胺(PI)的熱穩(wěn)定 性和摩擦磨損性能進行了測試,并用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察了試驗后的摩擦表面形貌,用 X 射線能量分散譜儀(EDS)分析了試驗后摩擦表面的特征元素.結果表明:兩種聚合物基固體自潤 滑材料均具有良好的熱穩(wěn)定性,聚四氟乙烯基固體自潤滑材料的潤滑性能和耐摩擦磨損性能要優(yōu) 于聚酰亞胺基固體自潤滑材料的.

關鍵詞:聚合物;固體自潤滑材料;摩擦磨損性能;熱穩(wěn)定性;潤滑機理

中圖分類號:O６３１．２ 文獻標志碼:A 文章編號:１００１Ｇ４０１２(２０１８)１２Ｇ０８８２Ｇ０５

固體潤滑材料在真空環(huán)境中難以揮發(fā),采用固 體潤滑材料可以解決液體潤滑劑的真空揮發(fā)問題, 由于固體潤滑材料一般可以加工成零部件,常用于 高溫、高載荷、微動摩擦、腐蝕介質、無供油儲油空 間、裸露環(huán)境等特殊工況下[１].為提升固體潤滑材 料的綜合性能,常加入一些增強體、耐磨顆粒等助劑 構成自潤滑復合材料,其中聚合物基固體自潤滑材 料因其優(yōu)異的減摩耐磨特性、韌性、化學穩(wěn)定性、介 質相容 性 及 電 絕 緣 性 等,在 近 年 來 得 到 空 前 發(fā) 展[２Ｇ３],常用作軸承、活塞環(huán)、滑動電接點、醫(yī)療器件 零部件等.聚酰亞胺和聚四氟乙烯是兩類典型的聚 合物基固體自潤滑材料,然而前者的摩擦因數(shù)和磨 耗量(或磨損率)相對較大,不適宜單獨使用;后者潤 滑性極佳,但其硬度低,易被磨損.目前通常以這兩 種聚合物作為基體,通過端基改性、表面處理、顆粒 填充、纖維增強、復合共混等方法[４],制備具有自潤 滑特性的改性材料或復合材料[５Ｇ７].

聚合物基固體自潤滑材料的設計研制及其摩 擦、磨損、潤滑機理的探索,是當前潤滑材料的研究 重點.研究潤滑材料的摩擦磨損性能,通常采用摩 擦磨損試驗配合表面分析技術和磨屑檢測分析技術等手段[８],例如:以掃描電子顯微鏡(SEM)、原子力 顯微 鏡 (AFM)為 代 表 的 磨 損 表 面 形 貌 分 析 技 術[９Ｇ１０],以 X射線光電子能譜儀(XPS)、X 射線能量 分散譜儀(EDS)為代表的磨損表面化學成分分析技 術[１１],以鐵譜儀和光譜分析儀為基礎的磨損狀態(tài)實 時監(jiān)測技術[１２],以及將工作環(huán)境、摩擦方式、運動模 式與接觸形式相結合的多因素綜合效應研究[１３Ｇ１４] 等.對于聚合物基自潤滑復合材料的摩擦學機理與 潤滑機制,目前相關理論存在一定的差異[１５Ｇ１６].為 此,筆者選取兩種典型的聚合物基固體自潤滑材料, 研究了其熱穩(wěn)定性及摩擦學性能,從理論推導結合 模型構建的角度,對聚合物基固體自潤滑復合材料 的摩擦磨損及潤滑機理進行了研究.

１ 試驗材料與試驗方法

１．１ 試驗材料

試驗材料選用蘭州空間技術物理研究所自主研 發(fā)的改性熱塑性聚酰亞胺基固體自潤滑材料(編號 為１號)和石墨改性聚四氟乙烯基固體自潤滑材料 (編號為２號).

１．２ 試驗方法

１．２．１ 熱穩(wěn)定性試驗

利用熱重分析儀(TGA)進行熱分解溫度測試,利 用差示掃描量熱儀(DSC)進行玻璃化轉變溫度測試.

１．２．２ 摩擦磨損試驗

分別在試驗室常規(guī)環(huán)境以及真空環(huán)境下對兩種 固體自潤滑材料進行摩擦磨損試驗.

(１)常規(guī)試驗室環(huán)境(常溫常壓)下的摩擦磨損 試驗執(zhí)行 GB/T３９６０－２０１６«塑料 滑動摩擦磨損試 驗方法».采用 MＧ２００型摩擦磨損試驗機進行環(huán)Ｇ塊 式滑動摩擦磨損試驗,對偶件與聚合物基固本自潤 滑復合材料試樣組成摩擦副,試樣尺寸為３０mm× ７mm×６mm,對偶件尺寸為?４０mm×?１６mm× １０mm.聚合物基固體自潤滑復合材料表面經過磨 削加工,對偶件材料為４５鋼,硬度為４０~４５HRC, 表面粗糙度Ra＝０．８μm.試樣和對偶件均使用丙 酮清洗,晾干后使用.試驗條件如下:試驗環(huán)境溫度 ２２~２３ ℃,載荷１９６N,對偶件轉速０．４２m??s－１,干 摩擦時間２h.摩擦因數(shù)由每次記錄的摩擦力矩按 照 GB/T３９６０－２０１６中的公式計算得到,磨痕寬度 采用鋼直尺測量.

(２)利用球Ｇ盤試驗機進行真空條件下的摩擦 因數(shù)和磨痕直徑的測試.聚合物基固體自潤滑復合材料機加工成?３２mm×１０mm 的試樣,對偶件尺 寸為 ?８ mm. 對 偶 件 為 精 度 不 低 于 G１０ 級 的 ９Cr１８鋼球.試 驗 條 件 如 下:試 驗 環(huán) 境 溫 度 ２２~ ２３ ℃,真 空 度 不 高 于５×１０－３ Pa,試 驗 法 向 載 荷 ５N,對偶 件 轉 速１０００r??min－１,干 摩 擦 時 間 ５h. 點接觸形式測試真空環(huán)境下固體自潤滑材料的摩擦 因數(shù)隨時間的變化趨勢,試驗時球固定不動,盤做單 向旋轉.在３０倍體視顯微鏡下,在試環(huán)磨痕上下左 右４個位置測量,取平均值作為磨痕直徑.

１．２．３ 磨痕及磨屑分析試驗

利用掃描電子顯微鏡觀察摩擦磨損試驗后試塊 的表面形貌,利用 X射線能量分散譜儀分析摩擦磨 損試驗后試塊表面的特征元素.

２ 試驗結果與討論

２．１ 熱穩(wěn)定性

采用熱重分析法,通過測量固體自潤滑材料在 升溫過程中的質量變化率,獲得材料的起始熱分解 溫度.采用差示掃描量熱法,通過測量材料變溫過 程中的熱量變化率,獲得材料的玻璃化轉變溫度.

由表１可見,兩種固體自潤滑材料的熱分解溫 度均較高,具有良好的熱穩(wěn)定性.其中,聚四氟乙烯 基材料的玻璃化轉變溫度比聚酰亞胺基材料的更 高,而聚酰亞胺基材料的熱分解溫度比聚四氟乙烯 基材料的更高.因此,若在瞬時高溫下工作,推薦采 用聚酰亞胺基固體自潤滑材料;若在長時較高溫度 下工作,則推薦采用聚四氟乙烯基固體自潤滑材料.

２．２ 摩擦磨損性能

由表２可見:與常溫常壓環(huán)境相比,真空環(huán)境中 固體自潤滑材料的抗磨減摩性能更佳;另外,聚四氟 乙烯基固體自潤滑材料的潤滑性能相比聚酰亞胺基 固體自潤滑材料的更佳.

２．３ 磨痕形貌及磨屑成分

圖１ １號試樣表面SEM 形貌磨痕形貌 通過掃描電子顯微鏡對摩擦磨損試驗后試塊的 表面(摩擦試驗表面和非摩擦表面)進行觀察,發(fā)現(xiàn) 兩種材料的磨痕處與非摩擦表面相比均呈現(xiàn)出不同 程度的損傷,如圖１和圖２所示.其中,聚四氟乙烯 基固體自潤滑材料出現(xiàn)了堆積狀的瘢痕,并可見微 量的片狀磨粒;而在聚酰亞胺基固體自潤滑材料的 磨痕表面可觀察到明顯的犁溝,溝槽呈切削狀,且相 比聚四氟乙烯基固體自潤滑材料要顯著得多,說明 聚酰亞胺基固體自潤滑材料不能在對偶件金屬摩擦 表面形成相對穩(wěn)定、連續(xù)的轉移膜,因而磨損較為嚴 重.由此可見,聚四氟乙烯基固體自潤滑材料的耐 磨損性能優(yōu)于聚酰亞胺基固體自潤滑材料的,原因 是:雖然聚酰亞胺硬度相對更高,但韌性相對較差,所以磨痕更明顯;而聚四氟乙烯為全氟側基,螺旋構 象,碳鏈周圍由氟原子環(huán)繞封閉,分子無極性,相對 容易發(fā)生鏈間滑移,可有效“卸除”部分外力,因此表 現(xiàn)出優(yōu)良的抗磨損能力.

２．３．２ 磨屑成分

通過 X射線能量分散譜儀分析摩擦磨損試驗 后試塊表面的特征元素可知:１號試樣的非摩擦表 面處(磨塊)特征元素以碳、氧、氮為主,與基體成分 聚酰亞胺相符,而摩擦試驗表面處(磨痕)聚酰亞胺 的氮特征峰減弱,見圖３;２號試樣的非摩擦表面處 (磨塊)特征元素以碳、氧、氟為主,與基體成分聚四 氟乙烯相符,而磨痕處聚四氟乙烯的氟特征峰減弱, 見圖４;兩種材料的磨痕處均出現(xiàn)了試驗機不銹鋼 摩擦副中的鐵元素.由此可以推斷,試塊因磨損而 導致表面的部分聚合物膜轉移至對磨材料(摩擦副)表面,同時摩擦副表面的部分金屬氧化膜也在摩擦 過程中轉移至試塊的磨痕表面.

３ 摩擦與潤滑機理分析

根據摩擦磨損試驗后試塊表面磨痕和非磨痕處 的SEM 形貌和 EDS成分結果分析如下.

(１)摩擦過程中時刻伴隨著磨屑的產生,這些磨屑或單獨存在并吸附于摩擦副上(接觸面),或經 氧化還原反應與基體結合成鍵.由 EDS分析結果 可知,磨屑以磨塊(轉動摩擦部件)上面的有機元素 為主,并混合有鋼球(靜止摩擦部件)上面的無機元 素.在整個摩擦過程中,靜止摩擦部件主要參與的 是氧化過程.這一結論同時符合經典動摩擦理論. 并且,經過對比分析可知,合理的摩擦副硬度匹配決 定了其摩擦磨損性能.在動靜結合的摩擦副中,應 以硬度較高的材料作為靜止摩擦部件,以達到緩解 磨耗的目的.

(２)潤滑機理中重要的過程是在摩擦表面成膜 的過程[１０].這個所謂的“膜”是微觀意義上的保護 層,而非宏觀層面上的“薄膜”.這個保護膜(即“邊 界膜”[８])是由潤滑材料、摩擦副以及其磨屑和氧化 物共同組成的混合物.在整個摩擦副工作周期中, 潤滑保護膜經歷了“構建→破壞→構建→破壞”的動 態(tài)過程,如圖５所示.具體來講,在保護膜構建過程 中,既存在物理吸附的成分又包含了化學反應的成 分,此時吸附膜與反應膜共存,并且吸附膜逐漸參與 氧化還原反應而轉化為反應膜.當轉化到一定程度 時,吸附膜減小到一定水平,同時反應膜進一步增加 直至“過飽和”.初步假設:①此時的反應膜已增加至可以完全覆蓋摩擦表面;②此時的吸附膜已減少 至以極端形式,即單分子層的形式附著在摩擦表面. 于是可知:由于最外層分子不再受吸附力所約束,因 而此時的保護膜處于最弱的“待轉移”狀態(tài),亟待下 一輪摩擦過程給予“破壞再重建”.但是,這個假想 中的“構建→破壞→構建→破壞”過程并非如永動機 一樣周而復始、永不停止.因為在“破壞”過程中,摩 擦表面的氧化物將重新脫離表面而被剪切成磨屑的 形式存在,但是已知并非全部磨屑都能得以在“重 建”過程中氧化或吸附,因此隨著時間的推移,這一 過程中必將伴隨著磨耗以及大量的保護膜損耗.這 個假設是在邊界潤滑理論[４,８,１７]基礎上推導的,進一 步解釋了為何非自潤滑材料的滑動摩擦試驗終會以 卡咬、燒結為終點.即非自潤滑摩擦副需要通過潤 滑劑來降低摩擦磨損,而自潤滑材料則無需進行表 面處理或在界面添加液體潤滑劑.

４ 結論

(１)兩種聚合物基固體自潤滑材料均具有良好 的熱穩(wěn)定性;若在瞬時高溫下工作,推薦采用聚酰亞 胺基固體自潤滑材料;若在長時較高溫度下工作,則 推薦采用聚四氟乙烯基固體自潤滑材料.

(２)在低載荷條件下,聚四氟乙烯基固體自潤 滑材料的潤滑性能優(yōu)于聚酰亞胺基固體自潤滑材料 的.可通過添加二硫化鉬、石墨、聚烯烴類固體潤滑 劑填料來改善聚酰亞胺的潤滑性能.

(３)通過石墨顆粒的填充改性,聚四氟乙烯基 固體自潤滑材料的耐磨損性能得到了有效改善.

(４)摩擦過程中磨塊與對磨材料(摩擦副)之間 存在著動態(tài)的膜轉移,潤滑膜體系經歷了“構建→破 壞→構建→破壞”的動態(tài)重建過程.

(５)合理的摩擦副硬度匹配決定了其摩擦磨損 性能.

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文章來源——材料與測試網