摘 要:對(duì)兩種典型的聚合物基固體自潤(rùn)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(jìn)行了測(cè)試,并用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察了試驗(yàn)后的摩擦表面形貌,用 X 射線(xiàn)能量分散譜儀(EDS)分析了試驗(yàn)后摩擦表面的特征元素.結(jié)果表明:兩種聚合物基固體自潤(rùn) 滑材料均具有良好的熱穩(wěn)定性,聚四氟乙烯基固體自潤(rùn)滑材料的潤(rùn)滑性能和耐摩擦磨損性能要優(yōu) 于聚酰亞胺基固體自潤(rùn)滑材料的.

關(guān)鍵詞:聚合物;固體自潤(rùn)滑材料;摩擦磨損性能;熱穩(wěn)定性;潤(rùn)滑機(jī)理

中圖分類(lèi)號(hào):O６３１．２ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號(hào):１００１Ｇ４０１２(２０１８)１２Ｇ０８８２Ｇ０５

固體潤(rùn)滑材料在真空環(huán)境中難以揮發(fā),采用固 體潤(rùn)滑材料可以解決液體潤(rùn)滑劑的真空揮發(fā)問(wèn)題, 由于固體潤(rùn)滑材料一般可以加工成零部件,常用于 高溫、高載荷、微動(dòng)摩擦、腐蝕介質(zhì)、無(wú)供油儲(chǔ)油空 間、裸露環(huán)境等特殊工況下[１].為提升固體潤(rùn)滑材 料的綜合性能,常加入一些增強(qiáng)體、耐磨顆粒等助劑 構(gòu)成自潤(rùn)滑復(fù)合材料,其中聚合物基固體自潤(rùn)滑材 料因其優(yōu)異的減摩耐磨特性、韌性、化學(xué)穩(wěn)定性、介 質(zhì)相容 性 及 電 絕 緣 性 等,在 近 年 來(lái) 得 到 空 前 發(fā) 展[２Ｇ３],常用作軸承、活塞環(huán)、滑動(dòng)電接點(diǎn)、醫(yī)療器件 零部件等.聚酰亞胺和聚四氟乙烯是兩類(lèi)典型的聚 合物基固體自潤(rùn)滑材料,然而前者的摩擦因數(shù)和磨 耗量(或磨損率)相對(duì)較大,不適宜單獨(dú)使用;后者潤(rùn) 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(guò)端基改性、表面處理、顆粒 填充、纖維增強(qiáng)、復(fù)合共混等方法[４],制備具有自潤(rùn) 滑特性的改性材料或復(fù)合材料[５Ｇ７].

聚合物基固體自潤(rùn)滑材料的設(shè)計(jì)研制及其摩 擦、磨損、潤(rùn)滑機(jī)理的探索,是當(dāng)前潤(rùn)滑材料的研究 重點(diǎn).研究潤(rùn)滑材料的摩擦磨損性能,通常采用摩 擦磨損試驗(yàn)配合表面分析技術(shù)和磨屑檢測(cè)分析技術(shù)等手段[８],例如:以?huà)呙桦娮语@微鏡(SEM)、原子力 顯微 鏡 (AFM)為 代 表 的 磨 損 表 面 形 貌 分 析 技 術(shù)[９Ｇ１０],以 X射線(xiàn)光電子能譜儀(XPS)、X 射線(xiàn)能量 分散譜儀(EDS)為代表的磨損表面化學(xué)成分分析技 術(shù)[１１],以鐵譜儀和光譜分析儀為基礎(chǔ)的磨損狀態(tài)實(shí) 時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)[１２],以及將工作環(huán)境、摩擦方式、運(yùn)動(dòng)模 式與接觸形式相結(jié)合的多因素綜合效應(yīng)研究[１３Ｇ１４] 等.對(duì)于聚合物基自潤(rùn)滑復(fù)合材料的摩擦學(xué)機(jī)理與 潤(rùn)滑機(jī)制,目前相關(guān)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(rùn)滑材料, 研究了其熱穩(wěn)定性及摩擦學(xué)性能,從理論推導(dǎo)結(jié)合 模型構(gòu)建的角度,對(duì)聚合物基固體自潤(rùn)滑復(fù)合材料 的摩擦磨損及潤(rùn)滑機(jī)理進(jìn)行了研究.

１ 試驗(yàn)材料與試驗(yàn)方法

１．１ 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料選用蘭州空間技術(shù)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(rùn)滑材料(編號(hào) 為１號(hào))和石墨改性聚四氟乙烯基固體自潤(rùn)滑材料 (編號(hào)為２號(hào)).

１．２ 試驗(yàn)方法

１．２．１ 熱穩(wěn)定性試驗(yàn)

利用熱重分析儀(TGA)進(jìn)行熱分解溫度測(cè)試,利 用差示掃描量熱儀(DSC)進(jìn)行玻璃化轉(zhuǎn)變溫度測(cè)試.

１．２．２ 摩擦磨損試驗(yàn)

分別在試驗(yàn)室常規(guī)環(huán)境以及真空環(huán)境下對(duì)兩種 固體自潤(rùn)滑材料進(jìn)行摩擦磨損試驗(yàn).

(１)常規(guī)試驗(yàn)室環(huán)境(常溫常壓)下的摩擦磨損 試驗(yàn)執(zhí)行 GB/T３９６０－２０１６«塑料 滑動(dòng)摩擦磨損試 驗(yàn)方法».采用 MＧ２００型摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行環(huán)Ｇ塊 式滑動(dòng)摩擦磨損試驗(yàn),對(duì)偶件與聚合物基固本自潤(rùn) 滑復(fù)合材料試樣組成摩擦副,試樣尺寸為３０mm× ７mm×６mm,對(duì)偶件尺寸為?４０mm×?１６mm× １０mm.聚合物基固體自潤(rùn)滑復(fù)合材料表面經(jīng)過(guò)磨 削加工,對(duì)偶件材料為４５鋼,硬度為４０~４５HRC, 表面粗糙度Ra＝０．８μm.試樣和對(duì)偶件均使用丙 酮清洗,晾干后使用.試驗(yàn)條件如下:試驗(yàn)環(huán)境溫度 ２２~２３ ℃,載荷１９６N,對(duì)偶件轉(zhuǎn)速０．４２m??s－１,干 摩擦?xí)r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(jì)算得到,磨痕寬度 采用鋼直尺測(cè)量.

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

１．２．３ 磨痕及磨屑分析試驗(yàn)

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

２ 試驗(yàn)結(jié)果與討論

２．１ 熱穩(wěn)定性

采用熱重分析法,通過(guò)測(cè)量固體自潤(rùn)滑材料在 升溫過(guò)程中的質(zhì)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(guò)測(cè)量材料變溫過(guò) 程中的熱量變化率,獲得材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度.

由表１可見(jiàn),兩種固體自潤(rùn)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(zhuǎn)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(shí)高溫下工作,推薦采 用聚酰亞胺基固體自潤(rùn)滑材料;若在長(zhǎng)時(shí)較高溫度 下工作,則推薦采用聚四氟乙烯基固體自潤(rùn)滑材料.

２．２ 摩擦磨損性能

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

２．３ 磨痕形貌及磨屑成分

圖１ １號(hào)試樣表面SEM 形貌磨痕形貌 通過(guò)掃描電子顯微鏡對(duì)摩擦磨損試驗(yàn)后試塊的 表面(摩擦試驗(yàn)表面和非摩擦表面)進(jìn)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(rùn)滑材料出現(xiàn)了堆積狀的瘢痕,并可見(jiàn)微 量的片狀磨粒;而在聚酰亞胺基固體自潤(rùn)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(rùn)滑材料要顯著得多,說(shuō)明 聚酰亞胺基固體自潤(rùn)滑材料不能在對(duì)偶件金屬摩擦 表面形成相對(duì)穩(wěn)定、連續(xù)的轉(zhuǎn)移膜,因而磨損較為嚴(yán) 重.由此可見(jiàn),聚四氟乙烯基固體自潤(rùn)滑材料的耐 磨損性能優(yōu)于聚酰亞胺基固體自潤(rùn)滑材料的,原因 是:雖然聚酰亞胺硬度相對(duì)更高,但韌性相對(duì)較差,所以磨痕更明顯;而聚四氟乙烯為全氟側(cè)基,螺旋構(gòu) 象,碳鏈周?chē)煞迎h(huán)繞封閉,分子無(wú)極性,相對(duì) 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(guò) X射線(xiàn)能量分散譜儀分析摩擦磨損試驗(yàn) 后試塊表面的特征元素可知:１號(hào)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(yàn)表面處(磨痕)聚酰亞胺 的氮特征峰減弱,見(jiàn)圖３;２號(hào)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(jiàn)圖４;兩種材料的磨痕處均出現(xiàn)了試驗(yàn)機(jī)不銹鋼 摩擦副中的鐵元素.由此可以推斷,試塊因磨損而 導(dǎo)致表面的部分聚合物膜轉(zhuǎn)移至對(duì)磨材料(摩擦副)表面,同時(shí)摩擦副表面的部分金屬氧化膜也在摩擦 過(guò)程中轉(zhuǎn)移至試塊的磨痕表面.

３ 摩擦與潤(rùn)滑機(jī)理分析

根據(jù)摩擦磨損試驗(yàn)后試塊表面磨痕和非磨痕處 的SEM 形貌和 EDS成分結(jié)果分析如下.

(１)摩擦過(guò)程中時(shí)刻伴隨著磨屑的產(chǎn)生,這些磨屑或單獨(dú)存在并吸附于摩擦副上(接觸面),或經(jīng) 氧化還原反應(yīng)與基體結(jié)合成鍵.由 EDS分析結(jié)果 可知,磨屑以磨塊(轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦部件)上面的有機(jī)元素 為主,并混合有鋼球(靜止摩擦部件)上面的無(wú)機(jī)元 素.在整個(gè)摩擦過(guò)程中,靜止摩擦部件主要參與的 是氧化過(guò)程.這一結(jié)論同時(shí)符合經(jīng)典動(dòng)摩擦理論. 并且,經(jīng)過(guò)對(duì)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(dòng)靜結(jié)合的摩擦副中,應(yīng) 以硬度較高的材料作為靜止摩擦部件,以達(dá)到緩解 磨耗的目的.

(２)潤(rùn)滑機(jī)理中重要的過(guò)程是在摩擦表面成膜 的過(guò)程[１０].這個(gè)所謂的“膜”是微觀意義上的保護(hù) 層,而非宏觀層面上的“薄膜”.這個(gè)保護(hù)膜(即“邊 界膜”[８])是由潤(rùn)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(gè)摩擦副工作周期中, 潤(rùn)滑保護(hù)膜經(jīng)歷了“構(gòu)建→破壞→構(gòu)建→破壞”的動(dòng) 態(tài)過(guò)程,如圖５所示.具體來(lái)講,在保護(hù)膜構(gòu)建過(guò)程 中,既存在物理吸附的成分又包含了化學(xué)反應(yīng)的成 分,此時(shí)吸附膜與反應(yīng)膜共存,并且吸附膜逐漸參與 氧化還原反應(yīng)而轉(zhuǎn)化為反應(yīng)膜.當(dāng)轉(zhuǎn)化到一定程度 時(shí),吸附膜減小到一定水平,同時(shí)反應(yīng)膜進(jìn)一步增加 直至“過(guò)飽和”.初步假設(shè):①此時(shí)的反應(yīng)膜已增加至可以完全覆蓋摩擦表面;②此時(shí)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(shí)的保護(hù)膜處于最弱的“待轉(zhuǎn)移”狀態(tài),亟待下 一輪摩擦過(guò)程給予“破壞再重建”.但是,這個(gè)假想 中的“構(gòu)建→破壞→構(gòu)建→破壞”過(guò)程并非如永動(dòng)機(jī) 一樣周而復(fù)始、永不停止.因?yàn)樵?ldquo;破壞”過(guò)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(guò)程中氧化或吸附,因此隨著時(shí)間的推移,這一 過(guò)程中必將伴隨著磨耗以及大量的保護(hù)膜損耗.這 個(gè)假設(shè)是在邊界潤(rùn)滑理論[４,８,１７]基礎(chǔ)上推導(dǎo)的,進(jìn)一 步解釋了為何非自潤(rùn)滑材料的滑動(dòng)摩擦試驗(yàn)終會(huì)以 卡咬、燒結(jié)為終點(diǎn).即非自潤(rùn)滑摩擦副需要通過(guò)潤(rùn) 滑劑來(lái)降低摩擦磨損,而自潤(rùn)滑材料則無(wú)需進(jìn)行表 面處理或在界面添加液體潤(rùn)滑劑.

４ 結(jié)論

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

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

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

(４)摩擦過(guò)程中磨塊與對(duì)磨材料(摩擦副)之間 存在著動(dòng)態(tài)的膜轉(zhuǎn)移,潤(rùn)滑膜體系經(jīng)歷了“構(gòu)建→破 壞→構(gòu)建→破壞”的動(dòng)態(tài)重建過(guò)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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