納米Al2O3改性PTFE復(fù)合保持架材料性能研究

時(shí)連衛(wèi)，王子君，孫小波，李建星，楚婷婷

(1.洛陽(yáng)軸研科技股份有限公司，河南 洛陽(yáng) 471039；2.河南省高性能軸承技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 洛陽(yáng)471039；3.滾動(dòng)軸承產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟，河南 洛陽(yáng) 471039)

聚四氟乙烯(PTFE)具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性及減摩性，且摩擦因數(shù)較低，是低溫軸承最重要的自潤(rùn)滑保持架材料。但純PTFE存在耐磨性差、比磨損率高、承載能力弱等缺點(diǎn)，限制了其在低溫軸承中的應(yīng)用，因此，常添加填料對(duì)其改性。納米顆粒由于尺寸小及不同于常規(guī)填料的特性，近年來(lái)廣泛應(yīng)用于力學(xué)和摩擦學(xué)領(lǐng)域，其中利用納米Al2O3填充改性可有效改善PTFE的機(jī)械和摩擦磨損性能。但由于納米Al2O3與PTFE界面相容性較差，一般應(yīng)先對(duì)納米Al2O3進(jìn)行表面改性，以改善其在PTFE基體中的分散性和相容性[1-3]。

下文先用偶聯(lián)劑KH-570對(duì)納米Al2O3進(jìn)行表面改性，再采用冷壓制坯、燒結(jié)成型方法，制備了納米Al2O3/PTFE復(fù)合保持架材料，考察了納米Al2O3含量對(duì)復(fù)合保持架材料硬度、壓縮強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度及摩擦磨損性能的影響，利用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察并探討了復(fù)合保持架材料的摩擦磨損機(jī)理，進(jìn)行了常溫、液氮和液氫下復(fù)合保持架材料的力學(xué)性能測(cè)試。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

聚四氟乙烯：M18F，平均粒徑25 μm；納米Al2O3：VK-L30，基本性能見(jiàn)表1；偶聯(lián)劑：KH-570；無(wú)水乙醇：AR。

表1 納米Al2O3基本性能

1.2 試樣制備

將納米Al2O3置于濃度為2%的 KH-570無(wú)水乙醇溶液中，進(jìn)行偶聯(lián)、超聲分散處理，超聲頻率20 kHz，超聲時(shí)間30 min。過(guò)濾除去溶劑后，將固體物置于真空干燥箱中干燥處理，真空度-0.1 MPa，溫度(120±5) ℃，時(shí)間8 h，干燥處理后密封保存?zhèn)溆?。取上述納米Al2O3放入高速攪拌機(jī)并加入適量PTFE充分混合攪拌，制備出納米Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0%，1%，3%，5%，7%，9%的納米Al2O3/PTFE復(fù)合保持架材料。

文中試樣均經(jīng)冷壓制坯—燒結(jié)成型—毛坯制品—機(jī)械加工—修剪打磨而成。其中硬度和摩擦磨損試驗(yàn)用試樣尺寸為12 mm×12 mm×20 mm；壓縮性能試驗(yàn)用試樣按照GB/T 1041—2008《塑料 壓縮性能的測(cè)定》的要求制成φ20 mm×φ10 mm×30 mm管狀；拉伸性能試驗(yàn)用試樣按照GB/T 1040—2008《塑料 拉伸性能的測(cè)定》的要求制成標(biāo)準(zhǔn)啞鈴型拉伸試條；沖擊性能試驗(yàn)用試樣按照GB/T 1043—2008《塑料 簡(jiǎn)支梁沖擊性能的測(cè)定》的要求制成無(wú)缺口標(biāo)準(zhǔn)沖擊試條。

1.3 性能測(cè)試

1)采用V-SD型邵氏硬度計(jì)，參照GB/T 2411—2008《塑料和硬橡膠 使用硬度計(jì)測(cè)定壓痕硬度(邵氏硬度)》進(jìn)行硬度測(cè)試。

2)拉伸性能和壓縮性能測(cè)試分別按GB/T 1040—2008和GB/T 1041—2008要求進(jìn)行，在DNS200型電子微控萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上測(cè)試材料的拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率及壓縮強(qiáng)度，拉伸速度5 mm/min，壓縮速度1 mm/min，測(cè)試溫度(23±2)℃。

3)摩擦磨損性能測(cè)試在TIMKEN摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，試驗(yàn)前將摩擦試樣及摩擦試環(huán)表面用分析純無(wú)水乙醇溶液擦拭干凈，測(cè)試條件為：干摩擦，載荷7.58 N，時(shí)間30 min，轉(zhuǎn)速1 000 r/min。對(duì)摩擦試樣磨損表面噴金處理后，采用JSM- 6380LV型掃描電子顯微鏡(SEM)對(duì)復(fù)合材料磨損機(jī)理進(jìn)行分析。

4)低溫性能相關(guān)測(cè)試，委托中科院理化技術(shù)研究所按照相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。

2 結(jié)果與分析

2.1 納米Al2O3含量對(duì)復(fù)合材料硬度的影響

納米Al2O3含量對(duì)復(fù)合材料硬度的影響如圖1所示。由圖可知，復(fù)合材料的硬度隨著納米Al2O3含量的增加而增大，這是因?yàn)榧{米Al2O3屬于硬質(zhì)材料，在復(fù)合材料中起到傳遞載荷的作用，隨著納米Al2O3與PTFE充分地吸附，其顆粒均勻地分散于PTFE基體中，起到了剛性支承的作用，從而提高了復(fù)合材料的硬度。

圖1 納米Al2O3含量對(duì)復(fù)合材料硬度的影響

2.2 納米Al2O3含量對(duì)復(fù)合材料壓縮強(qiáng)度的影響

納米Al2O3含量對(duì)復(fù)合材料壓縮強(qiáng)度的影響如圖2所示。由圖可知，復(fù)合材料壓縮強(qiáng)度隨納米Al2O3含量的增加逐漸增大。這是因?yàn)榧{米Al2O3的表面能和表面張力遠(yuǎn)大于一般填料，其均勻分散到PTFE基體中，不僅使PTFE材料的黏彈性迅速增大，還起到一定的承載和支承作用，從而提高了壓縮強(qiáng)度。

圖2 納米Al2O3含量對(duì)復(fù)合材料壓縮強(qiáng)度的影響

2.3 納米Al2O3含量對(duì)復(fù)合材料拉伸性能的影響

納米Al2O3含量對(duì)復(fù)合材料拉伸性能的影響如圖3所示。由圖可知，復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率隨納米Al2O3含量的增加而減小，這是因?yàn)榧{米Al2O3填充到PTFE基體中，會(huì)阻礙基體大分子鏈及鏈段的運(yùn)動(dòng)，同時(shí)納米Al2O3產(chǎn)生應(yīng)力集中，也會(huì)導(dǎo)致復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度下降；此外，復(fù)合材料硬度及彈性模量等參數(shù)的提高，使得復(fù)合材料的剛性和脆性增加，因而斷裂伸長(zhǎng)率降低較為明顯。

圖3 納米Al2O3含量對(duì)復(fù)合材料拉伸性能的影響

2.4 納米Al2O3含量對(duì)復(fù)合材料摩擦磨損性能的影響

納米Al2O3含量對(duì)PTFE復(fù)合材料摩擦磨損性能的影響如圖4所示。由圖可知，納米Al2O3/PTFE復(fù)合材料的摩擦因數(shù)均高于純PTFE，而磨損量均低于純PTFE；隨著納米Al2O3含量的增加，摩擦因數(shù)急速上升，磨損量急速下降，當(dāng)納米Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到5%后，摩擦因數(shù)和磨損量變化趨勢(shì)均變緩。這是因?yàn)榧{米Al2O3尺寸小、比表面積大，表面能和表面張力隨粒徑的減小急劇增大，表現(xiàn)出小尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)和量子尺寸效應(yīng)等特點(diǎn)，納米Al2O3在PTFE基體中均勻分散，對(duì)PTFE進(jìn)行了有效的填充。在摩擦磨損過(guò)程中，納米Al2O3具有優(yōu)先承載的作用，且大比表面積又可吸附基體大分子鏈，使基體大分子鏈互相纏繞，從而阻止了PTFE帶狀結(jié)構(gòu)的大面積破壞，提高了PTFE的耐磨性；另一方面，納米Al2O3使得PTFE由黏著磨損轉(zhuǎn)變?yōu)轲ぶp和磨粒磨損共同作用，從而增加復(fù)合材料的摩擦因數(shù)[4]。

圖4 納米Al2O3含量對(duì)復(fù)合材料摩擦磨損性能的影響

2.5 復(fù)合材料磨損機(jī)理分析

納米Al2O3/PTFE復(fù)合材料的磨損表面形貌如圖5所示。由圖可知，純PTFE磨損呈平紋帶狀結(jié)構(gòu)(圖5a)，磨痕表面較為光滑，沿著摩擦方向發(fā)生了塑性形變，屬典型黏著磨損；由圖5b～圖5f可知，納米Al2O3/PTFE復(fù)合材料的磨痕表面均有不同程度的犁溝和細(xì)小的磨屑，磨損機(jī)理表現(xiàn)為黏著磨損與磨粒磨損共同作用。對(duì)比可知，當(dāng)納米Al2O3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%時(shí)磨損形貌最平整，這是因?yàn)榧{米Al2O3含量較少時(shí)，難以完全阻礙聚PTFE大分子帶狀結(jié)構(gòu)破壞；納米Al2O3含量過(guò)多時(shí)，其在摩擦面上的分布擴(kuò)大，形成磨粒磨損破壞轉(zhuǎn)移膜，導(dǎo)致復(fù)合材料耐磨性變差。

圖5 復(fù)合材料磨損表面形貌

2.6 測(cè)試溫度對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響

納米Al2O3改性PTFE復(fù)合材料主要用于超低溫軸承，由于介質(zhì)和溫度的限制，該類軸承無(wú)法采用脂或油潤(rùn)滑，且超低溫流體黏度低也無(wú)法形成有效的流體潤(rùn)滑，因此，在軸承運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，保持架既要承受滾動(dòng)體的沖擊又要產(chǎn)生轉(zhuǎn)移膜來(lái)保證潤(rùn)滑。綜合考慮復(fù)合材料的力學(xué)性能、摩擦磨損性能及使用溫度，確定納米Al2O3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%，并對(duì)該配方復(fù)合材料進(jìn)行了低溫下相關(guān)性能測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 復(fù)合材料常溫與低溫性能比較

由表2可知，與常溫(23 ℃)相比，液氮(-196 ℃)和液氫(-253 ℃)溫度下復(fù)合保持架材料拉伸強(qiáng)度和彈性模量有所增加，斷裂伸長(zhǎng)率和沖擊強(qiáng)度有所下降，呈典型脆性材料特征。這主要是由于復(fù)合保持架材料屬于高分子材料，隨著測(cè)試溫度的降低，相鄰分子鏈的構(gòu)象或鏈段之間距離變短，單鍵內(nèi)旋轉(zhuǎn)能增加，相對(duì)來(lái)說(shuō)破壞高分子構(gòu)象或鏈段的力增加，使得復(fù)合保持架材料拉伸強(qiáng)度和彈性模量增加；另一方面，分子鏈的構(gòu)象或鏈段之間距離變短，造成復(fù)合保持架材料單鍵內(nèi)旋轉(zhuǎn)困難，致使復(fù)合保持架材料柔順性變差，脆性增加，斷裂伸長(zhǎng)率變低[5]。

3 結(jié)論

1)隨著納米Al2O3含量的增加，納米Al2O3/ PTFE復(fù)合保持架材料的硬度和壓縮強(qiáng)度增大，拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率變小，摩擦因數(shù)急速上升，磨損量急速下降，當(dāng)納米Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到5%后，摩擦因數(shù)和磨損量變化趨勢(shì)均變緩。

2)通過(guò)對(duì)納米Al2O3/PTFE復(fù)合保持架材料摩擦磨損性能分析認(rèn)為，納米Al2O3阻礙了PTFE大分子帶狀結(jié)構(gòu)破壞，有效保護(hù)了PTFE基體，當(dāng)納米Al2O3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%時(shí)，復(fù)合保持架材料磨損形貌最平整。

3)與常溫相比，液氮和液氫溫度下納米Al2O3/PTFE復(fù)合保持架材料拉伸強(qiáng)度和彈性模量有所增加，斷裂伸長(zhǎng)率和沖擊強(qiáng)度有所下降，呈典型脆性材料特征。