改性納米氮化硅增強(qiáng)聚四氟乙烯復(fù)合涂層摩擦學(xué)行為研究

周紅成，卞 達(dá)，劉雅玄，郭永信，趙永武

(江南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 無(wú)錫 214122)

1 前 言

聚四氟乙烯(PTFE)具有優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性和自潤(rùn)滑性，是目前應(yīng)用廣泛的工程塑料之一。但PTFE因其特殊的分子結(jié)構(gòu)導(dǎo)致耐磨性較差，故PTFE基復(fù)合涂層的性能還不能滿足頻繁摩擦條件下的應(yīng)用需求[1, 2]。為了解決這一問(wèn)題，在PTFE基體中添加增強(qiáng)劑來(lái)提高PTFE的耐磨性已經(jīng)被普遍認(rèn)可，如添加SiO2[3]、碳納米管[4]、TiO2[5]等。氮化硅(Si3N4)是一種共價(jià)鍵化合物，性質(zhì)穩(wěn)定，常溫下為白色或者灰白色，具有低熱膨脹系數(shù)、高彈性模量和高硬度，在高溫下具有較高的耐磨損性能[6]。張?zhí)K等[7]通過(guò)丙烯酸丁酯-甲基丙烯酸甲酯-甲基丙烯酸縮水甘油酯(BA-MMA-GMA)三元共聚物改性納米Si3N4，制備了Si3N4/丙烯酸酯橡膠復(fù)合材料。結(jié)果表明，隨著納米Si3N4含量的提高, 復(fù)合材料的物理性能和耐油性能先上升后下降；當(dāng)改性納米Si3N4的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5%時(shí), 復(fù)合材料的物理性能和耐油性能最佳，橡膠的壽命得到延長(zhǎng)。Fan等[8]制備了致密的Si3N4陶瓷涂層，研究表明，在1200 ℃的熱沖擊溫差下經(jīng)過(guò)5次熱循環(huán)后，涂層的吸水率略有提高，從接近3.2%到接近6.0%。該研究解決了陶瓷孔由于吸水導(dǎo)致介電和隔熱能力下降的問(wèn)題。Gal等[9]采用粉末注射成型法制備了Si3N4基陶瓷，研究發(fā)現(xiàn)，Si3N4可以提高涂層的彎曲強(qiáng)度、維氏硬度和斷裂韌性，將其應(yīng)用到汽車(chē)閥門(mén)中可有效提高汽車(chē)的綜合性能。Zhang等[10]采用真空熱壓法制備了Si3N4自潤(rùn)滑陶瓷刀具材料Si3N4/TiC/h-BN，切削試驗(yàn)表明，該自潤(rùn)滑陶瓷刀具比未含Si3N4的刀具更抗磨損。以上研究表明，雖然利用Si3N4改性涂層的性能已經(jīng)取得了不少成功，但是將Si3N4應(yīng)用于改性PTFE卻鮮有報(bào)道，PTFE塑料的應(yīng)用前景光明，但耐磨性差的問(wèn)題亟待解決。本文利用Si3N4在耐磨性方面的優(yōu)勢(shì)，制備了PTFE基復(fù)合耐磨涂層，并對(duì)PTFE/Si3N4復(fù)合涂層的摩擦學(xué)性能進(jìn)行了研究。

2 實(shí) 驗(yàn)

2.1 主要原材料

納米Si3N4，平均粒徑100 nm，購(gòu)自科特新材料科技有限公司；PTFE，分散乳液，購(gòu)自浙江巨化股份有限公司；聚酰胺酰亞胺(PAI)，型號(hào)PSY225，購(gòu)自南通博聯(lián)化工有限公司；氧化鋁，平均粒徑3.5 μm，購(gòu)自耐博檢測(cè)技術(shù)(上海)有限公司；醇酯十二，分析純，購(gòu)自可樂(lè)士科技有限公司；γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷(KH-570)，分析純，購(gòu)自江蘇晨光偶聯(lián)劑有限公司；消泡劑，型號(hào)NXZ，購(gòu)自日本諾普科公司；氟碳表面活性劑，型號(hào)FC-4430，購(gòu)自美國(guó)3M公司。

2.2 主要設(shè)備與儀器

精密電子天平，型號(hào)XS205-DU，METTLER TOLEDO有限公司；超聲波清洗儀，型號(hào)BG-06C，廣州邦杰電子有限公司；馬弗爐，型號(hào)SX2-8-10，上海喆鈦機(jī)械制造有限公司；真空干燥箱，型號(hào)DZF-6020，上海精密儀器有限公司；萬(wàn)能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，型號(hào)MFT-5000，蘭州中科凱華科技開(kāi)發(fā)有限公司；三維形貌儀，型號(hào)MFP-D，美國(guó)RTEC公司；顯微硬度測(cè)試儀，型號(hào)MH-3，北京環(huán)宇科信科技有限公司；掃描電子顯微鏡(SEM)，型號(hào)6390A，日本電子JSM公司；傅里葉變換紅外光譜儀(FT-IR)，型號(hào)Nicolet iS5，美國(guó)賽默飛世爾科技(中國(guó))有限公司。

2.3 納米Si3N4表面改性處理

采用硅烷偶聯(lián)劑KH-570對(duì)納米Si3N4進(jìn)行表面改性處理。由于KH-570更容易以溶液的形式分散在Si3N4表面，所以首先需要配制KH-570溶液(20%的KH-570，72%無(wú)水乙醇，8%去離子水，質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)。在改性之前，將納米Si3N4在真空干燥箱中120 ℃活化處理2.5 h，然后加入KH-570溶液超聲機(jī)械攪拌20 min；再逐滴加入乙酸，調(diào)整溶液體系pH值為5，70 ℃反應(yīng)6 h；將反應(yīng)后的混合溶液轉(zhuǎn)移至離心管中，離心12 min，轉(zhuǎn)速為3500 r·min-1；用無(wú)水乙醇反復(fù)多次離心，直至沉淀上層液體為中性；最后，將混合溶液放入真空干燥箱中60 ℃干燥24 h。

2.4 復(fù)合材料試樣的制備

以直徑為30 mm、厚度為3 mm的鋁塊為基底(鋁塊經(jīng)過(guò)了機(jī)械拋光、噴砂、陽(yáng)極氧化等前處理)，稱(chēng)取45%的PTFE分散液、15%的PAI、適量的水?dāng)嚢?，超聲分散處? min后加入15%的Al2O3(填充劑)、醇酯十二、消泡劑、FC-4430表面活性劑攪拌。加入0%，0.5%，0.7%，1%，1.5%不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的納米Si3N4機(jī)械攪拌2 h后，采用噴涂-固化的方式制備Si3N4/PTFE復(fù)合涂層。其中固化分4個(gè)階段進(jìn)行:① 10 min均勻升溫到120 ℃，② 120 ℃保溫20 min，③10 min均勻升溫到380 ℃，④ 380 ℃保溫20 min。

2.5 涂層表征

涂層的抗磨損試驗(yàn)在萬(wàn)能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，試驗(yàn)選用的方式是往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)。試驗(yàn)施加的載荷為10 N，頻率為1 Hz，試驗(yàn)時(shí)間為10 min，對(duì)磨件是直徑為9.525 mm的Si3N4陶瓷球。利用三維形貌儀觀測(cè)磨痕的表面形貌，分析磨損量。使用顯微硬度測(cè)試儀測(cè)量顯微維氏硬度，試驗(yàn)載荷為50 g，施載時(shí)間為15 s，測(cè)量5個(gè)點(diǎn)，取平均值。最后，利用SEM對(duì)磨痕的表面形貌進(jìn)行表征，分析磨損機(jī)理。

3 結(jié)果與討論

3.1 改性前后納米Si3N4 SEM分析

圖1為改性前后的納米Si3N4的SEM照片，從圖1a可以看出，未經(jīng)過(guò)處理的納米Si3N4粉體表面相對(duì)光滑，不利于粉末均勻分散在PTFE復(fù)合涂層中。而經(jīng)過(guò)KH-570改性處理的Si3N4納米顆粒(圖1b)粉體表面附著了一層薄膜，比較粗糙，增大了顆粒之間的間隙，有利于粉末均勻分散在涂層中。此外，由于改性后的Si3N4納米顆粒表面粗糙，其與涂層的接觸面積也會(huì)增大，有利于與涂層嚙合，增大了結(jié)合力，從而有效提高PFTE/Si3N4復(fù)合涂層的摩擦學(xué)性能[11]。

圖1 改性前(a)和硅烷偶聯(lián)劑KH-570改性后(b)納米Si3N4的SEM照片

3.2 改性前后納米Si3N4 FT-IR分析

圖2 改性前(a)和KH-570改性后(b)納米Si3N4的傅里葉變換紅外光譜

圖3 納米Si3N4改性機(jī)理示意圖

3.3 PTFE/Si3N4復(fù)合涂層顯微維氏硬度分析

圖4為不同Si3N4質(zhì)量分?jǐn)?shù)的PTFE/Si3N4復(fù)合涂層的顯微維氏硬度。從圖4中可以看出，隨著納米Si3N4含量的增加，復(fù)合涂層的硬度先增加后減小。未添加納米Si3N4時(shí)，復(fù)合涂層的維氏硬度為9.8HV；當(dāng)Si3N4質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.5%，0.7%和1.0%時(shí)，復(fù)合涂層的維氏硬度分別為10.2HV，10.8HV和11.1HV，分別提高了4.1%，10.2%和13.3%；但是當(dāng)Si3N4質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到1.5%時(shí)，復(fù)合涂層的硬度反而下降為10.3HV。這是因?yàn)榧{米Si3N4具有高硬度的特點(diǎn)，可以作為剛性的支撐點(diǎn)，優(yōu)先承載載荷，所以加入納米Si3N4可以提高復(fù)合涂層的硬度；但當(dāng)加入過(guò)量納米Si3N4時(shí)，容易出現(xiàn)較嚴(yán)重的團(tuán)聚現(xiàn)象，造成應(yīng)力集中，使涂層承載能力下降，導(dǎo)致硬度下降[14]。

圖4 不同Si3N4質(zhì)量分?jǐn)?shù)的PTFE/Si3N4復(fù)合涂層的維氏硬度測(cè)量值

3.4 PTFE/Si3N4復(fù)合涂層摩擦系數(shù)分析

圖5為不同Si3N4質(zhì)量分?jǐn)?shù)的PTFE/Si3N4復(fù)合涂層的摩擦系數(shù)。從圖5可以看出，隨著納米Si3N4含量的增加，涂層的摩擦系數(shù)先減小后增加。當(dāng)未添加納米Si3N4時(shí)，復(fù)合涂層的摩擦系數(shù)為0.1010；當(dāng)添加0.5%納米Si3N4時(shí)，復(fù)合涂層的摩擦系數(shù)明顯降低為0.0880，降低了12.9%；當(dāng)納米Si3N4含量升到1%時(shí)，復(fù)合涂層的摩擦系數(shù)降低到最低值0.0755，降幅達(dá)到了24.5%；但是納米Si3N4含量增加到1.5%時(shí)，復(fù)合涂層的摩擦系數(shù)反而提升，為0.0788。這是因?yàn)閺?fù)合涂層在摩擦過(guò)程中，納米Si3N4具有減摩的作用，可以降低摩擦系數(shù)[15]；但當(dāng)納米Si3N4的含量過(guò)多時(shí)其在涂層中難以均勻分散，摩擦過(guò)程中會(huì)脫落到復(fù)合涂層和對(duì)磨小球之間，磨?；瑒?dòng)會(huì)破壞轉(zhuǎn)移膜，增大摩擦阻力，使摩擦系數(shù)增加[16]。

圖5 不同Si3N4質(zhì)量分?jǐn)?shù)的PTFE/Si3N4復(fù)合涂層的摩擦系數(shù)

3.5 PTFE/Si3N4復(fù)合涂層耐磨性分析

圖6和表1分別為不同Si3N4質(zhì)量分?jǐn)?shù)的PTFE/Si3N4復(fù)合涂層的磨痕深度和摩擦學(xué)指標(biāo)。從圖6和表1可以看出，添加納米Si3N4可以有效降低復(fù)合涂層的磨損量。當(dāng)未添加納米Si3N4時(shí)，復(fù)合涂層的磨痕深度約為22 μm，磨損率為1.25×10-2m3·N-1·m-1；當(dāng)加入0.5%納米Si3N4時(shí)，復(fù)合涂層的磨痕深度發(fā)生明顯變化，降至14 μm；當(dāng)加入1%納米Si3N4時(shí)，復(fù)合涂層的磨痕深度降到最低值12 μm，磨損量最小，磨損率僅為3.78×10-3m3·N-1·m-1；但當(dāng)加入1.5%納米Si3N4時(shí)，復(fù)合涂層的磨損量反而提高，磨損率增加到5.96×10-3m3·N-1·m-1。納米Si3N4因具有高硬度、高強(qiáng)度的性能，在填充涂層內(nèi)部的空隙時(shí)會(huì)使制備的涂層更加致密，同時(shí)提高了復(fù)合涂層的硬度。在對(duì)摩過(guò)程中，納米Si3N4可以作為剛性的支撐點(diǎn)，優(yōu)先承載載荷，具有彌散強(qiáng)化的作用[17]。因此，隨著納米Si3N4的加入，復(fù)合涂層的磨損量降低；但當(dāng)納米Si3N4含量過(guò)高時(shí)，不利于納米Si3N4在基體中均勻分散，容易形成較嚴(yán)重的團(tuán)聚現(xiàn)象。脫落的團(tuán)簇Si3N4落到摩擦副之間破壞了轉(zhuǎn)移膜的完整性，導(dǎo)致磨損量反而提高[18]。

圖6 不同Si3N4質(zhì)量分?jǐn)?shù)的PTFE/Si3N4復(fù)合涂層的磨痕深度

表1 不同Si3N4質(zhì)量分?jǐn)?shù)的PTFE/Si3N4復(fù)合涂層的摩擦學(xué)指標(biāo)

3.6 PTFE/Si3N4復(fù)合涂層磨損機(jī)理分析

圖7給出了不同Si3N4質(zhì)量分?jǐn)?shù)的PTFE/Si3N4復(fù)合涂層表面微觀形貌的SEM照片。從圖7a可以看出，未添加Si3N4時(shí)，磨痕周邊凹凸不平，邊緣出現(xiàn)明顯的擠壓形狀，是典型的塑性變形特征。這是因?yàn)槲刺砑蛹{米Si3N4時(shí)，復(fù)合涂層的硬度較低，抵抗外力變形能力低；當(dāng)添加0.5% Si3N4時(shí)，復(fù)合涂層的硬度提高，磨痕變窄，磨痕邊緣趨于平整，擠壓現(xiàn)象不明顯(圖7b)；當(dāng)納米Si3N4含量為1%時(shí)，磨痕最為平整光滑(圖7d)；但當(dāng)含量增加到1.5%時(shí)(圖7e)，復(fù)合涂層的表面性能反而變差。

為了進(jìn)一步研究復(fù)合涂層的磨損機(jī)制，對(duì)磨痕內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)添加0.5%納米Si3N4時(shí)，PTFE/Si3N4復(fù)合涂層磨痕內(nèi)部出現(xiàn)了粘黏現(xiàn)象，如圖8a所示，結(jié)合圖7b可以說(shuō)明涂層的磨損形式主要為粘著磨損和磨粒磨損。當(dāng)納米Si3N4含量為1%時(shí)，磨痕表面出現(xiàn)犁溝現(xiàn)象(圖8b)，整體最為平整光滑(圖7d已討論)，說(shuō)明此時(shí)的磨損方式主要為磨粒磨損。

圖7 不同Si3N4質(zhì)量分?jǐn)?shù)的PTFE/Si3N4復(fù)合涂層磨痕形貌SEM照片：(a)0%,(b)0.5%,(c)0.7%,(d)1%,(e)1.5%

圖8 復(fù)合涂層磨痕內(nèi)部細(xì)節(jié)SEM照片：(a)0.5%,(b)1%

圖9為復(fù)合涂層內(nèi)部磨痕EDS分析結(jié)果，從中可明顯看出Si元素，說(shuō)明Si3N4分布在磨痕表面，充當(dāng)載荷支撐點(diǎn)發(fā)揮作用。此外，對(duì)對(duì)磨小球磨痕表面進(jìn)行EDS分析，測(cè)出了C，O，F(xiàn)元素(圖10)，其中F元素只能來(lái)自PTFE，說(shuō)明1% Si3N4復(fù)合涂層在對(duì)磨件上形成了致密的轉(zhuǎn)移膜，摩擦主要發(fā)生在復(fù)合涂層和轉(zhuǎn)移膜之間。

圖9 復(fù)合涂層內(nèi)部磨痕EDS分析結(jié)果:(a)掃描區(qū)域,(b)區(qū)域EDS分析

圖10 摩擦副對(duì)磨小球EDS面掃描圖譜:(a)摩擦副掃描區(qū)域，(b)C元素,(c)O元素,(d)F元素

但是當(dāng)納米Si3N4含量增加到1.5%時(shí)，復(fù)合涂層的表面性能反而變差。通過(guò)EDS分析發(fā)現(xiàn)，Si3N4產(chǎn)生了團(tuán)聚，如圖11所示，由于Si3N4難以在復(fù)合涂層中均勻分散，形成應(yīng)力集中，復(fù)合涂層的摩擦學(xué)性能下降[19]。

圖11 涂層內(nèi)部Si3N4團(tuán)聚的EDS面掃描分析圖譜:(a)Si3N4團(tuán)聚掃描區(qū)域，(b)Si元素,(c)N元素

4 結(jié) 論

(1)本實(shí)驗(yàn)利用硅烷偶聯(lián)劑KH-570對(duì)納米Si3N4進(jìn)行改性，成功將其接枝到納米Si3N4表面。利用掃描電子顯微鏡(SEM)、傅里葉變換紅外光譜(FT-IR)對(duì)改性前后的納米Si3N4進(jìn)行表征，結(jié)果表明，經(jīng)過(guò)KH-570處理的納米Si3N4粉體表面附著了一層薄膜，比較粗糙；KH-570改性納米Si3N4在900～1100 cm-1處的吸收峰更寬，納米Si3N4表面結(jié)構(gòu)從羥基變?yōu)榱薙i—O—Si。

(2)納米Si3N4對(duì)聚四氟乙烯(PTFE)/納米Si3N4復(fù)合涂層(PTFE/Si3N4)的顯微維氏硬度有著顯著影響。隨著納米Si3N4質(zhì)量分?jǐn)?shù)的提高，復(fù)合涂層的維氏硬度先提高再降低，當(dāng)納米Si3N4的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%時(shí)，復(fù)合涂層的顯微維氏硬度最高，為11.1HV。

(3)填充納米Si3N4對(duì)PTFE/Si3N4復(fù)合涂層的摩擦系數(shù)和磨損量有顯著影響。復(fù)合涂層的摩擦系數(shù)和磨損量隨著納米Si3N4含量的增加先下降后略有提高。當(dāng)納米Si3N4質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%時(shí)，復(fù)合涂層的摩擦系數(shù)最低，為0.0755，磨損率最小，為3.78×10-3m3·N-1·m-1；當(dāng)納米Si3N4質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5%時(shí)，形成了較嚴(yán)重的團(tuán)聚，復(fù)合涂層的摩擦磨損性能下降。

(4)當(dāng)未添加納米Si3N4時(shí)，復(fù)合涂層的磨損方式主要為粘著磨損；當(dāng)添加0.5%的納米Si3N4時(shí)，磨損方式主要為粘著磨損和磨粒磨損兩種形式共存；當(dāng)納米Si3N4質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加至1%時(shí)，磨損方式主要為磨粒磨損。