真空/高低溫環(huán)境中PI 基復(fù)合材料的摩擦學(xué)特性

劉曉亮，趙新學(xué)，孫胃濤，章健

(濱州學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，山東濱州 256600)

作為精密驅(qū)動(dòng)的主要功能部件，超聲電機(jī)(USM)在航空航天器的高精度運(yùn)動(dòng)和定位控制等方面得到廣泛應(yīng)用。USM 主要依靠定子與摩擦材料間的能量轉(zhuǎn)換和運(yùn)動(dòng)傳遞輸出力或力矩，實(shí)現(xiàn)負(fù)載的精確運(yùn)動(dòng)和定位控制[1-2]。因此，摩擦材料的力學(xué)性能、摩擦磨損特性和環(huán)境適應(yīng)性等指標(biāo)參數(shù)對(duì)USM 的輸出性能至關(guān)重要，尤其是服役于真空、高低溫交變復(fù)合環(huán)境中時(shí)，需重點(diǎn)考慮環(huán)境因素對(duì)接觸界面摩擦磨損特性的影響[3-4]。

近年來(lái)，USM 的研究工作主要集中于USM 的運(yùn)動(dòng)原理揭示、動(dòng)力學(xué)模型建立和摩擦材料選擇等方面[5-7]，通過(guò)纖維增強(qiáng)和功能改性等方法制備的聚四氟乙烯(PTFE)、聚酰亞胺(PI)和酚醛樹(shù)脂等高分子復(fù)合材料得到廣泛應(yīng)用[8-10]。同時(shí)，精密微細(xì)加工技術(shù)的不斷發(fā)展促使表面織構(gòu)技術(shù)成功應(yīng)用于USM 定/轉(zhuǎn)子接觸界面上，USM 的能量轉(zhuǎn)換效率和輸出性能得到大幅提升[11-13]。隨著我國(guó)探月工程、載人航天和火星探測(cè)等深空探測(cè)計(jì)劃的陸續(xù)實(shí)施，對(duì)航天器精密驅(qū)動(dòng)功能部件的性能指標(biāo)提出更高要求，尤其是摩擦材料在真空、高低溫交變環(huán)境中的摩擦學(xué)特性演變規(guī)律成為近年來(lái)的研究熱點(diǎn)[14-16]。真空條件下，定子表面質(zhì)點(diǎn)的超聲振動(dòng)所引起的減摩效應(yīng)減弱、環(huán)境溫度對(duì)摩擦材料摩擦學(xué)性能的影響、表面織構(gòu)影響摩擦界面的接觸狀態(tài)，以及激振頻率、電壓幅值等輸入?yún)?shù)和組裝工藝參數(shù)等因素，均影響USM 的輸出性能并改變摩擦材料的摩擦磨損機(jī)理[17-20]。

前期工作中，筆者重點(diǎn)研究了PI 基復(fù)合材料的摩擦學(xué)性能及其對(duì)USM 的能量轉(zhuǎn)換效率和機(jī)械輸出性能等指標(biāo)的影響規(guī)律，通過(guò)引入表面織構(gòu)技術(shù)優(yōu)化界面接觸狀態(tài)、調(diào)整輸入?yún)?shù)和工藝參數(shù)等改善了USM 的宏觀性能指標(biāo)[21-23]，但并未就摩擦材料的摩擦磨損機(jī)理展開(kāi)詳細(xì)分析。筆者以熱壓燒結(jié)制備的改性PI 基復(fù)合材料為研究對(duì)象，通過(guò)高溫摩擦磨損實(shí)驗(yàn)和真空、高低溫復(fù)合環(huán)境實(shí)驗(yàn)，利用界面摩擦系數(shù)變化和表面形貌表征等分析方法，從界面摩擦磨損機(jī)理入手，研究了環(huán)境參數(shù)對(duì)PI 基復(fù)合材料和磷青銅平銷(xiāo)摩擦副的界面摩擦系數(shù)和磨損率的影響規(guī)律。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原材料

PI 粉末：粒徑＜75 μm，上海合成樹(shù)脂研究所；

PTFE 粉末：粒徑＜75 μm，大金氟化工(中國(guó))有限公司；

碳纖維(CF)：長(zhǎng)度20～50 μm，直徑7 μm，南通森友炭纖維有限公司；

納米SiO2粉末：粒徑25 nm，上海阿拉丁生化科技股份有限公司；

對(duì)位聚苯酚（PPL）粉末：粒徑75 μm，南京智寧新型材料有限公司；

石墨粉末：粒徑50～70 μm，南京智寧新型材料有限公司。

1.2 主要儀器與設(shè)備

高溫?zé)Y(jié)爐：非標(biāo)定制，上海貫勃電爐有限公司；

高溫摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)：HT-1000 型，蘭州中科凱華科技開(kāi)發(fā)有限公司；

真空/高低溫復(fù)合環(huán)境測(cè)試系統(tǒng)：非標(biāo)定制，中國(guó)科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所；

超景深數(shù)碼顯微鏡：DSX1000 型，日本奧林巴斯公司；

掃描電子顯微鏡(SEM)：Zeiss SUPRA 55 型，德國(guó)卡爾·蔡司公司。

1.3 PI 基復(fù)合材料制備

PI 基復(fù)合材料采用熱壓燒結(jié)工藝并在高溫?zé)Y(jié)爐中制備，其基體材料與功能填料的體積分?jǐn)?shù)見(jiàn)表1。通過(guò)調(diào)整基體材料和功能填料的比例，提高材料的摩擦學(xué)性能；通過(guò)纖維增強(qiáng)、固體潤(rùn)滑劑和納米顆粒改性，改善材料的各向異性、耐磨性和熱穩(wěn)定性。制備時(shí)，首先將各組分混合均勻后研磨并過(guò)200 目(約75 μm)篩，將原材料中的大顆粒篩分出來(lái)，填充至截面尺寸為60 mm×60 mm 的模具中后，施加2.88 MPa 壓強(qiáng)；其次，依次按照20 min 加熱至250℃，10 min 加熱至330℃并保溫10 min，10 min 加熱至380℃并保溫1 h 的工藝參數(shù)燒結(jié)；最后，自然冷卻至室溫，完成PI 基復(fù)合材料的制備。燒結(jié)完成后將PI 基復(fù)合材料粘貼在固定夾具上，通過(guò)機(jī)加工和表面研磨等處理方式保證材料厚度為0.2 mm，表面粗糙度Ra＜1.0 μm。

表1 PI 基復(fù)合材料中基體材料與功能填料的體積分?jǐn)?shù) %

1.4 性能測(cè)試

(1)摩擦磨損表面形貌分析。

對(duì)PI 基復(fù)合材料摩擦磨損表面進(jìn)行噴金處理，采用SEM 對(duì)摩擦磨損表面表面形貌進(jìn)行分析，加速電壓為15 kV。

(2)高溫摩擦磨損性能測(cè)試。

采用高溫摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)測(cè)試PI 基復(fù)合材料在30～120℃內(nèi)的摩擦磨損性能，該設(shè)備主要由計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、高溫爐、機(jī)械摩擦系統(tǒng)和加載機(jī)構(gòu)四部分組成。制備的PI 基復(fù)合材料作為摩擦材料應(yīng)用于超聲電機(jī)時(shí)的額定組裝預(yù)壓力為300 N，非工作狀態(tài)時(shí)定子與轉(zhuǎn)子間的接觸面積為297.2 mm2，工作狀態(tài)下定子中激發(fā)出行波驅(qū)動(dòng)時(shí)與摩擦材料的接觸面積減小到102.9 mm2，此時(shí)摩擦材料層對(duì)應(yīng)的壓強(qiáng)為2.91 MPa。摩擦實(shí)驗(yàn)選用截面尺寸為4 mm×4 mm 的磷青銅平銷(xiāo)作為對(duì)偶件，為保證摩擦材料所受的壓強(qiáng)基本一致，實(shí)驗(yàn)中設(shè)定法向預(yù)壓力為45 N，對(duì)應(yīng)壓強(qiáng)為2.81 MPa。同時(shí)，設(shè)定摩擦材料的轉(zhuǎn)速為160 r/min，測(cè)試時(shí)間為120 min。

(3)真空/高低溫復(fù)合環(huán)境摩擦磨損性能測(cè)試。

采用真空/高低溫復(fù)合環(huán)境測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試高低溫/真空復(fù)合環(huán)境下PI 基復(fù)合材料的摩擦磨損性能。實(shí)驗(yàn)中設(shè)定溫度范圍為-60～30℃，環(huán)境真空度為105Pa (常壓)和10-5Pa (高真空度)，其它實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)定與高溫摩擦磨損性能測(cè)試一致。

2 結(jié)果與討論

2.1 常壓、不同環(huán)境溫度中PI 基復(fù)合材料摩擦學(xué)特性的影響

PI 基復(fù)合材料摩擦實(shí)驗(yàn)工作原理示意圖如圖1所示。將環(huán)境實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)的摩擦副溫度加熱到設(shè)定值并保溫30 min，通過(guò)加載機(jī)構(gòu)施加45 N 的法向預(yù)壓力，驅(qū)動(dòng)摩擦材料做160 r/min 的定速旋轉(zhuǎn)，傳感器采集接觸界面間的實(shí)時(shí)摩擦力，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)顯示實(shí)時(shí)的摩擦系數(shù)曲線。

圖1 PI 基復(fù)合材料摩擦實(shí)驗(yàn)工作原理示意圖

通過(guò)穩(wěn)定系數(shù)(δs)和變化系數(shù)(δα)表征不同環(huán)境溫度時(shí)接觸界面間摩擦系數(shù)的穩(wěn)定性[24]，磨損率(K)表征界面磨損特性，3 個(gè)參數(shù)的計(jì)算公式見(jiàn)式(1)～式(3)：

式中：μα——界面平均摩擦系數(shù)；

μmax——界面最大摩擦系數(shù)；

μmin——界面最小摩擦系數(shù)；

F——法向預(yù)壓力；

L——相對(duì)運(yùn)動(dòng)總距離；

ΔV——界面磨損體積，由超景深數(shù)碼顯微鏡測(cè)量磨損軌跡的截面積與長(zhǎng)度計(jì)算得到。

在常壓、不同環(huán)境溫度中PI 基復(fù)合材料的平均摩擦系數(shù)和磨損率如圖2 所示。

圖2 常壓、不同環(huán)境溫度中PI 基復(fù)合材料的平均摩擦系數(shù)和磨損率

在常壓下，隨著環(huán)境溫度的升高，PI 分子鏈的熱運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)，導(dǎo)致材料的摩擦學(xué)性能和力學(xué)性能下降，因此，從圖2 可以看出，平均摩擦系數(shù)逐漸增大，但總體波動(dòng)范圍較小，在測(cè)試環(huán)境溫度范圍內(nèi)的δs為0.95，δα為0.97，說(shuō)明制備的改性PI 基復(fù)合材料在常壓、30～120℃范圍內(nèi)具有較為穩(wěn)定的摩擦特性。

PTFE、石墨和納米SiO2作為固體潤(rùn)滑劑，其滾動(dòng)作用可以促進(jìn)轉(zhuǎn)移膜的快速形成，有效降低接觸界面的磨損率，同時(shí)PPL可以改善材料的熱穩(wěn)定性。從圖2 可以看出，環(huán)境溫度的升高會(huì)提高磨損率，120℃時(shí)的磨損率[2.52×10-5mm3/(N·m)]，相比于30℃時(shí)的磨損率[1.85×10-5mm3/(N·m)]，提高了36.2%，但整體仍保持較低的磨損率，說(shuō)明制備的改性PI 基復(fù)合材料具有良好的耐磨性能。

在常壓、不同環(huán)境溫度中PI 基復(fù)合材料磨損表面形貌的SEM 照片如圖3 所示。

從圖3 可以看出，在常壓下，當(dāng)環(huán)境溫度為30℃時(shí)，由于接觸界面的動(dòng)態(tài)接觸和高頻剪切作用，導(dǎo)致材料表面出現(xiàn)明顯的剝層、刮擦和犁溝現(xiàn)象，此時(shí)界面磨損形式主要為磨粒磨損。隨著環(huán)境溫度的不斷升高，材料的摩擦學(xué)性能出現(xiàn)不同程度的下降，相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)因高頻剪切和機(jī)械嵌合作用產(chǎn)生的剝層狀磨損明顯，此時(shí)界面磨損形式主要為粘著磨損，磨損表面形貌區(qū)域平整、光滑，尤其是犁溝現(xiàn)象明顯減弱，材料的整體磨損率明顯增大。

圖3 常壓、不同環(huán)境溫度中PI 基復(fù)合材料磨損表面形貌的SEM 照片

2.2 高真空度、不同環(huán)境溫度中PI 基復(fù)合材料的摩擦學(xué)特性

真空環(huán)境中空氣和水蒸氣等介質(zhì)非常稀薄，會(huì)影響接觸界面間轉(zhuǎn)移膜的形成，因摩擦產(chǎn)生的熱量聚集也會(huì)改變界面的磨損機(jī)制[25]。在高真空度(10-5Pa)、不同環(huán)境溫度中PI 基復(fù)合材料的平均摩擦系數(shù)和磨損率如圖4 所示。

圖4 高真空度、不同環(huán)境溫度中PI 基復(fù)合材料的平均摩擦系數(shù)和磨損率

從圖4 可以看出，在高真空度(10-5Pa)環(huán)境中，隨著環(huán)境溫度的降低，PI 基復(fù)合材料接觸界面的平均摩擦系數(shù)逐漸減小。分析原因?yàn)椋篜I 基復(fù)合材料在高真空度、低溫環(huán)境中較難形成完整均勻的轉(zhuǎn)移膜，磨合期內(nèi)始終處于生成、破壞的循環(huán)，摩擦副的實(shí)際接觸面積成為影響界面摩擦系數(shù)的主要因素。環(huán)境溫度的降低會(huì)提高PI 基復(fù)合材料的摩擦學(xué)性能，相同法向預(yù)壓力作用下的材料彈性變形減小，實(shí)際接觸面積也隨之減小。

從圖4 還可以看出，接觸界面的磨損率隨著環(huán)境溫度的降低呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢(shì)。真空環(huán)境中，稀薄的介質(zhì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)移膜形成困難，同時(shí)，接觸界面發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的摩擦熱量無(wú)法及時(shí)耗散而導(dǎo)致摩擦副的溫度不斷升高。因此，當(dāng)環(huán)境溫度為30℃時(shí)的主要磨損形式為粘著磨損。隨著環(huán)境溫度降低到-30℃，摩擦熱量的及時(shí)耗散、摩擦學(xué)性能的改變以及界面接觸應(yīng)力的增大都會(huì)相應(yīng)提高物理剪切、擠壓等方式在對(duì)偶件表面形成轉(zhuǎn)移膜的幾率。此時(shí)，粘著磨損現(xiàn)象明顯減弱，犁溝現(xiàn)象明顯增加，界面磨損形式演變?yōu)槟チＤp和疲勞磨損，此時(shí)，磨損率達(dá)到最小值。當(dāng)環(huán)境溫度進(jìn)一步降低到-60℃時(shí)，材料表面硬度和脆性的增加導(dǎo)致增強(qiáng)纖維和磨屑引起的磨粒磨損現(xiàn)象更加明顯，磨損率變大。

2.3 恒溫、不同環(huán)境真空度中PI 基復(fù)合材料的摩擦學(xué)特性

在溫度30℃、不同環(huán)境真空度中PI 基復(fù)合材料的平均摩擦系數(shù)和磨損率如圖5 所示。

圖5 溫度30℃、不同環(huán)境真空度中PI 基復(fù)合材料的平均摩擦系數(shù)和磨損率

從圖5 可以明顯看出，在溫度30℃下，常壓(105Pa)環(huán)境中的PI 基復(fù)合材料的平均摩擦系數(shù)和磨損率分別為0.248 和1.85×10-5mm3/(N·m)，高真空度(10-5Pa)環(huán)境的摩擦系數(shù)和磨損率分別為0.348 和14.26×10-5mm3/(N·m)，分別提高40.3%和670.8%，高真空度環(huán)境中的摩擦系數(shù)和磨損率明顯增大。分析原因?yàn)椋汗腆w潤(rùn)滑劑PTFE、石墨和納米SiO2具有優(yōu)異的低摩擦性能，在高真空度環(huán)境中，摩擦熱量的聚集是影響材料磨損的主要因素，磨損形式以粘著磨損為主，導(dǎo)致接觸界面具有相對(duì)較高的摩擦系數(shù)和磨損率。而常壓環(huán)境中，摩擦副發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，在法向預(yù)壓力的作用下，界面微凸起間的相互嵌合、機(jī)械剪切以及擠壓等綜合作用可在對(duì)偶面上形成較為完整的轉(zhuǎn)移膜，避免了PI 基摩擦材料與磷青銅平銷(xiāo)接觸界面的直接對(duì)磨，可有效降低界面摩擦系數(shù)和磨損率。

2.4 不同溫度和環(huán)境真空度中PI 基復(fù)合材料的摩擦學(xué)特性

不同溫度和環(huán)境真空度中PI 基復(fù)合材料的摩擦系數(shù)曲線如圖6 所示。

圖6 不同溫度和環(huán)境真空度中PI 基復(fù)合材料的摩擦系數(shù)曲線

從圖6 可以看出，在30℃、常壓(105Pa)環(huán)境中，由于空氣和水蒸氣介質(zhì)的存在，使得PI 基復(fù)合材料極易在銅銷(xiāo)表面形成均勻的轉(zhuǎn)移膜，磨合時(shí)間較短，且轉(zhuǎn)移膜形成后使得界面磨損率明顯降低，在法向預(yù)壓力施加穩(wěn)定后，PI 基復(fù)合材料的摩擦系數(shù)也相應(yīng)快速趨于平穩(wěn)，整體波動(dòng)較小。在30℃、高真空度(10-5Pa)環(huán)境中，空氣稀薄，尤其是缺少了水蒸氣的存在，使得磷青銅平銷(xiāo)接觸表面較難形成完整均勻的轉(zhuǎn)移膜，沒(méi)有被轉(zhuǎn)移膜覆蓋的表面對(duì)PI基復(fù)合材料造成持續(xù)的磨損，轉(zhuǎn)移膜一直處于生成、破壞的交替過(guò)程中?？梢钥闯?，磨合初期的摩擦系數(shù)波動(dòng)較大，且明顯高于穩(wěn)定后的摩擦系數(shù)。當(dāng)環(huán)境溫度從30℃降到-60℃時(shí)，該趨勢(shì)更為明顯。由此可見(jiàn)，完整均勻轉(zhuǎn)移膜的形成可以有效降低界面磨損率并穩(wěn)定界面摩擦系數(shù)。

3 結(jié)論

通過(guò)優(yōu)化PI 基體材料和功能填料配比制備了改性PI 基復(fù)合材料，主要研究了環(huán)境溫度和真空度對(duì)PI 基復(fù)合材料接觸界面摩擦系數(shù)和磨損率的影響規(guī)律，結(jié)合SEM 表征的表面形貌，揭示了不同環(huán)境中材料的摩擦磨損機(jī)理，所得結(jié)論歸納如下：

(1)常壓環(huán)境中，對(duì)偶件表面可快速形成完整、均勻的轉(zhuǎn)移膜，磨合時(shí)間較短且磨損率較低。環(huán)境溫度的升高會(huì)提高分子鏈的熱運(yùn)動(dòng)，降低材料的摩擦學(xué)性能，平均摩擦系數(shù)相應(yīng)增大，但整體波動(dòng)范圍較小，磨損機(jī)制由磨粒磨損演變?yōu)轲ぶp主導(dǎo)。

(2)真空環(huán)境中，由于空氣和水蒸氣介質(zhì)的減少，磷青銅平銷(xiāo)表面難以在短時(shí)間內(nèi)形成完整均勻的轉(zhuǎn)移膜，磨合時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)且磨損率明顯增大。此時(shí)，環(huán)境溫度的降低一方面加快摩擦熱量的耗散，另一方面提高材料的摩擦學(xué)性能，減小摩擦副的實(shí)際接觸面積，共同作用下導(dǎo)致摩擦系數(shù)減小，磨損機(jī)制主要表現(xiàn)為磨粒和疲勞磨損。