由于聚合物本身具有较低的摩擦系数,优良的机械性能及耐腐蚀性等优点,其基自润滑复合材料具有非常优异的摩擦磨损性能,正在被广泛的应用到减摩领域。本文综述了聚醚醚酮、聚四氟乙烯及聚酰亚胺等几种高聚物的摩擦磨损特点及其应用,聚合物基自润滑复合材料发展现状。指出目前聚合物基高性能自润滑材料的制备途径主要是通过聚合物与聚合物共混及添加纤维、晶须等来提高基体的机械强度,通过添加各类固体自润滑剂来提高摩擦性能,有效提高其综合性能。聚合物基自润滑材料可取代传统金属材料,成为全新的一类耐摩擦磨损材料。

论文关键词:高聚物,复合材料,自润滑材料,摩擦,磨损

1、 聚醚醚酮(PEEK)

1.1 聚醚醚酮(PEEK)的特点

聚醚醚酮(PEEK)是一种高性能热塑性高聚物,具有良好机械性能、抗化学腐蚀性和抗辐射性,显着的热稳定性和耐磨性。它可以在无润滑、低速高载下或在液体、固体粉尘污染等

恶劣环境下使用。因而关于聚醚醚酮及其复合材料的研究越来越受到人们重视。聚醚醚酮是一种半晶态热塑性聚合物,为了改善其机械性能,尤其是摩擦学性能,常在其中添加聚四氟乙烯(PTFE)、聚丙烯腈(PAN)和碳纤维(FC)等材料,也可添加颗粒增强型材料或进行特种表面处理等离子体处理等。当聚醚醚酮及其复合材料与金属材料相互对磨时,通常在金属表面形成聚合物转移膜,其结构、成分均与原有的聚合物及复合材料不同,其性能、厚度及连续程度均对摩擦副的摩擦学性能有重大影响[4]。

1.2 对聚醚醚酮(PEEK)摩擦性能的研究

章明秋等人[5,6]对聚醚醚酮(PEEK)在无润滑滑动条件下磨损产生的磨屑的形态进行研究,结果表明,聚醚醚酮(PEEK)的磨屑具有分形特征,其分形维数与载荷的关系对应于磨损率与载荷的关系,能够反映聚醚醚酮(PEEK)磨损机制的变化。在给定的试验条件下,随着载荷的增大,聚醚醚酮(PEEK)的磨损机制从粘着磨损为主伴随着疲劳-剥层磨损,进而转变为热塑性流动磨损。

张人佶等[7,8]利用扫描电镜、扫描微分量热仪、红外光谱仪、俄歇电子谱仪等分析手段系统的研究了聚醚醚酮(PEEK)及其复合材料的滑动转移膜,结果表明:纯聚醚醚酮(PEEK)在滑动摩擦过程中形成不连续的转移膜。聚四氟乙烯(PTFE)的光滑分子结构有助于使转移膜更光滑,固体润滑效果也更好。在PEEK/FC30中,不仅加入PTFE,而且加入具有层状结构的石墨,碳纤维磨损后的石墨也同时进入转移膜,使得转移膜的强度和韧性更好,寿命提高。

1.3 聚醚醚酮的应用

聚醚醚酮(PEEK)是一类倍受欢迎的耐磨减摩材料,其承载能力和耐磨性比较强,温度对其摩擦磨损性能及机械性能影响也不大。这类自润滑复合材料可用于制作飞机上的耐热、耐有机溶剂的连接件,汽车轴承支架、活塞密封、发动机的传动装置,精密电子设备等零部件。但由于聚醚醚酮(PEEK)本身的价格高且成型加工困难,在普通的工程应用中受到了很大的限制[9]。

2 聚四氟乙烯(PTFE)

2.1聚四氟乙烯(PTFE)低摩擦系数特点

聚四氟乙烯(PTFE)是一种耐热性聚合物,其分子结构规整、静摩擦系数很小。当聚四氟乙烯(PTFE)与其它物体对摩时,由于聚四氟乙烯(PTFE)大分子容易被拉出结晶区,因而在摩擦之初就向对摩面转移,以库伦力和范德华力在对摩面上形成一层20~30nm厚的薄膜,这层薄膜的大分子按滑动方向高度取向,从而摩擦系数很低[10]。另外,在摩擦过程中还会发生摩擦化学反应,能够影响转移膜的生成及其完整性[11]。由于聚四氟乙烯(PTFE)的表面能极低,其转移膜在对摩面上的附着性较差,导致聚四氟乙烯(PTFE)做摩擦材料时具有严重的磨损。同时,由于聚四氟乙烯(PTFE)的弹性模量小而线膨胀系数大,承载能力低,使其作为摩擦件使用受到了限制。为了改善聚四氟乙烯(PTFE)的耐磨性,许多学者进行了卓有成效的研究工作。目前对聚四氟乙烯(PTFE)进行改性的方法主要有两个方面:一方面通过碱金属溶液、辉光放电以及等离子体对聚四氟乙烯(PTFE)材料表面进行改性处理;另一方面通过向聚四氟乙烯(PTFE)内填充纤维、无机粉末和有机高分子填料完成改性。这些填料的加入,除了提高了聚四氟乙烯(PTFE)的耐磨性以外,还可以提高其硬度和刚度使制品具有良好的抗蠕变性和尺寸稳定性[12]。

2.2 对聚四氟乙烯(PTFE)摩擦性能的研究

张招柱等人[13]采用3种金属氧化物对聚四氟乙烯(PTFE)进行改性,实验发现,添加Pb3O4使聚四氟乙烯(PTFE)的摩擦系数略有增大,而添加Pb3O4或Cu2O都能使聚四氟乙烯(PTFE)的摩擦系数有所减小,其中以Pb3O4的减摩效果较好。这3种材料在负荷低于300N时,摩擦系数始终随负荷的增大而减小。3种填充聚四氟乙烯(PTFE)复合材料的耐磨性都远比纯PTFE的好,均随负荷的增大而增大,其中以Pb3O4的减磨效果最好。

文献[14]还研究了Cu, Pb及Ni 3种不同金属颗粒对PTFE进行改性的影响,发现Ni增大了复合材料的摩擦系数,而Cu及Pb则降低了复合材料的摩擦系数,但摩擦系数减小的幅度不是很大。金属填料大大改善了复合材料的耐磨性,使其磨损量比纯PTFE材料降低了1-2个数量级,其中:Cu的减磨效果最好,Ni的效果次之,Pb的效果最差。

张招柱等人[15,16]用稀土化合物CeO2、CeF2和La2O3填充PTFE复合材料,发现这些化合物能使PTFE的耐磨性显着提高。

杨文光等人[17]以碳纤维增强 PTFE制成自润滑轴承,这种轴承自润滑性好、耐磨性高而且具有优良的防污染性和防腐蚀性,能把灰尘、金属等微粒包容于PTFE的界面以下,减少了对摩擦副之间的磨损。

文献[18]对碳纤维、玻璃纤维及钛酸钾K2Ti6O13晶须增强PTFE复合材料在干摩擦条件下与GCr15轴承钢对磨时的磨损性能进行了研究,发现玻璃纤维的减磨效果最好,K2 Ti6O13晶须的减磨效果最差。

杨生荣等人[19]用金属纤维FST和FCu对PTFE进行改性,结果如下:2种纤维增强对摩擦系数的影响都不大,往复次数增多,PTFE + 30 %FST复合材料的摩擦系数有所上升,PTFE +30 %FCu复合材料的摩擦系数略有下降。

黄丽等人[20]研究了碳纤维不同混合方式对PTFE复合材料性能可产生重要影响,研究发现,从力学性能上看,气流混合试样的冲击强度比机械混合试样提高了13%,两者硬度差别不大,但气流混合试样的磨耗量也增加了39%。另外,还考察了碳纤维长度的不同对摩擦系数的影响,随着碳纤维长度的增大,PTFE复合材料的摩擦系数增加。这主要是由于随碳纤维长度的增加,在机械混合的过程中,纤维容易形成絮团吸附物,因而在压制的过程中,就会使得制品表面的坑洼程度大,使制品的粗糙度增加,在与金属件对磨时,机械啮合和切削碰撞就比较显着,导致滑动困难,使摩擦系数增大,同时磨耗量相应增大。 2.3聚四氟乙烯(PTFE)的应用

聚四氟乙烯(PTFE)自润滑复合材料在常规环境下具有较优异的摩擦磨损性能,因而它的应用范围比较广泛,可以作为轴承、导轨、滚动轴承保持架、活塞环和叶片等。需要指出的是,通常所说的PTFE的摩擦系数为0.104,是指PTFE自摩擦时,而且是在新打磨的表面上以低于0.1011m/s的速度进行滑移时才能获得的。在0.15~4m/ s 的速度范围内,PTFE的摩擦系数为0.12左右。另外,PTFE基自润滑复合材料与金属相比,存在线膨胀系数较大、导热性较差的缺陷。

3 聚酰亚胺(PI)

3.1聚酰亚胺(PI)的摩擦学性能

聚酰亚胺(PI)的摩擦性能仅次于聚四氟乙烯(PTFE),在干摩擦下与金属对摩时,可以向对摩面发生转移,起到自润滑作用,并且静摩擦系数与动摩擦系数很接近,防止爬行的能力好。根据聚酰亚胺(PI)固体润滑摩擦学特性的不同,Fusaro[21]将聚酰亚胺(PI)分为两类:第1类 PI具有较低的摩擦系数,但磨损率较高,在摩擦过程中,粘着磨损占主导地位,表面层脆,断裂后产生较大的磨屑覆盖于膜痕表面;第2类PI具有较高的摩擦系数,但磨损率较低,磨损表面较粗糙,磨痕边缘粘附细微磨屑。PI的磨损有以下两种情况[22]:①PI在摩擦过程中因粘着、犁耕、微切削等作用而逐渐磨损,导致底材暴露而失效;②PI很快磨损至与金属底材相结合的界面层,然后形成一薄层润滑膜,并能维持很长一段时间的低摩擦磨损。由于PI在实际使用过程中均要加入各种润滑填料,因此PI复合材料的磨损过程大部分表现为第②种情况。

3.2聚酰亚胺(PI)的改性处理

为了得到理想的摩擦磨损性能,人们用石墨、MoS2以及玻璃纤维对PI进行改性。杨生荣等人[23]通过离子注入的方法对PI进行改性来提高材料的耐磨性,如分别将 N+和Fe+离子注入芳香PI薄膜,结果降低了钢对PI膜的摩擦系数。这是由于离子加入可以有效的改善 PI膜的自润滑性能,可以提高聚合物的硬度,增大交联度,降低其与钢摩擦时的粘着,从而提高聚合物的耐磨性。此外离子注入过程中通常会在被注入物质的表面形成一层极薄的无定型碳膜,同时也起到一定的润滑作用。所得复合材料除了具有优异的摩擦磨损性能外,还具有良好的机械性能,常用来制作耐高温和高真空的自润滑轴承、压缩机活塞环、密封圈和齿轮等。

展望

高聚物基自润滑复合材料具有非常优异的摩擦磨损性能,克服了普通聚合物的一些缺点,正逐步取代传统的金属材料,成为摩擦磨损材料的全新的发展方向之一。