第1期高 分 子 通 报・41・
高性能耐高温聚合物复合材料的摩擦磨损性能研究
邓 鑫,李笃信
2113,杨 军,王 静22(1中南大学粉末冶金研究院国家重点实验室,长沙 410083;株洲时代新材料科技股份有限公司,株洲 412007)
摘要:介绍了一些常见的高性能耐高温聚合物及其复合材料的摩擦与磨损性能的研究及其新进展,包括聚
四氟乙烯(PTFE)、聚醚醚酮(PEEK)、聚苯硫醚(PPS)、聚酰亚胺(PI)等。并讨论了不同种类的填料,如纤维、固体润滑剂、,许多研究结果表明,适量填料的加入能提高聚合物基复合材料的耐磨性能,擦系数及磨损率有更大的帮助。
关键词:高性能;耐高温聚合物基复合材料;摩擦;磨损
,,新型合成树脂尼龙(PA)、聚四氟乙烯(PTFE)、)(PI)以及环氧树脂基的减摩复合材料也相继被开发。采用聚合物为基、耐磨、耐腐蚀、减震吸振、减低噪音、相对密度小、比强度和加工简便等系列优良特性,因此,作为其它材料的替代产品或换代产品获得了越来越多的应用。
随着尖端技术的迅速发展,对耐磨减磨材料的要求越来越高。如要求制作在高温、高速、高真空及辐射环境中工作的摩擦零部件,一般工程聚合物就很难胜任。为了提高摩擦材料的使用温度,延长摩擦材料的使用寿命,大量研究工作集中在耐热性聚合物基体的复合材料上[1]。高性能耐热性聚合物为基体的耐磨复合材料,与金属材料相比,具有耐高温性能好、化学性质稳定、抗腐蚀能力强、消声减震效果显著、维修保养方便等优点。这类材料通常以耐热性好、本身具有一定自润滑能力的聚合物作为基体,向其中加入一种或多种固体润滑剂及其它改性增强剂而制成,可以用来制作耐磨的零部件(如轴承、齿轮、活塞环和滑动导轨等),在航空、航天、机械、电子等领域作为摩擦件广泛使用。通常的高性能耐热性聚合物主要有聚四氟乙烯(PTFE)、聚醚醚酮(PEEK)、聚苯硫醚(PPS)、聚酰亚胺(
PI)、耐高温环氧树脂等。本文将系统地介绍常用的高性能耐热性聚合物基复合材料摩擦与磨损性能的研究进展。[2]
1 高性能耐热性热塑性聚合物
111 聚四氟乙烯(PTFE)
聚四氟乙烯(PTFE)被誉为“塑料王”,是一种重要的热塑性塑料,也是当前国内外广泛使用的工程塑料之一。在所有的工程塑料之中,PTFE具有最低的摩擦系数,最高的使用温度区间以及最低的表面能,在摩擦与磨损领域中有着十分特殊的地位。
为改善PTFE的摩擦学性能,人们用不同种类的填料对PTFE进行填充改性,并对PTFE基复合材料的摩擦磨损性能进行了研究,在此基础上开发出一系列PTFE基减摩、抗磨复合材料。Tanaka等进行了玻璃纤维(GF)、青铜(Bronze)、ZrO2、TiO2、MoS2、石墨(Graphite)等不同填充物改性PTFE耐磨性能的研究。
),女,在读博士,从事高分子复合材料及成型研究;作者简介:邓鑫(1981—
3联系人,E2mail:[email protected].[3]
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月PTFE基复合材料的摩擦系数受滑动速度的影响较少。在载荷10N下,除ZrO22PTFE外,随着滑动速度的增加,大多数改性PTFE复合材料的摩擦系数与未填充PTFE的相近,在012～013范围之内变化。当载荷增加到50N时,PTFE复合材料的摩擦系数随着载荷的增加而减少。因为载荷增加后,聚合物与对磨面的接触面积增大,生热大,增加了聚合物的粘附能力,更容易产生转移膜,形成了聚合物与聚合物之间的摩擦从而减小了摩擦系数。
近年来,许多研究工作者也进行了PTFE基复合材料的研究。Zhang等发现,在相同的含量下,不同的填料(Cu、Pb、Ni、SiC、Si3N4等)对PTFE的摩擦磨损性能的影响差别很大,Cu的填充性能最好。唐炜等和赵安赤等研究发现液晶材料能很好的提高PTFE的耐磨损性能。
王乙潜等认为,滑移速度对PTFE复合材料的磨损和摩擦的影响主要表现在它对界面温度的贡献,
[8]当超过临界的界面温度(靠近软化温度)时,磨损很快。Zhang等对PTFE复合材料在不同介质中的摩擦
磨损性能作了比较后认为,介质的存在大大改善了复合材料的摩擦学性能。
人们对影响PTFE复合材料摩擦学性能的内部因素也进行了研究。Durand等,随PTFE基体中第二相陶瓷颗粒粒径的增大,复合材料的耐磨性能增强[10][9][7][5][6][4]O3填充PTFE基复合材料的摩擦磨损性能的研究,随填料含量的增加,同时摩擦系数有所增大。
112 聚醚醚酮(PEEK)
聚醚醚酮(PEEK),,作为高性能复合材料的基体,PEEK因韧性好、蠕变率低且耐高温成为轴承、齿轮、活塞环[11[13][12]。但当PEEK在铁金属,,并在某一临界温度或热量耗散率下,摩擦功耗上升极快,同时摩,从而不能在实际中实现其高性能。为了进一步提高PEEK的
摩擦学性能,将PEEK与其它聚合物共混或采用碳纤维(CF)、玻璃纤维(GF)、无机纳米粒子等复合增强,已成为制备摩擦学性能和力学性能更优异的PEEK复合材料的首选。
Stuart等[14]研究了PEEK与其它聚合物共混时的摩擦磨损性能。在温度比较高的使用环境中,PEEK
[15]具有很好的摩擦学性能,特别是其与PI、PTFE以及某些液晶高分子材料的共混物,性能更好。Lu等研
究了PEEK短切碳纤维增强复合材料的摩擦磨损性能。在较宽的温度变化范围内,短切碳纤维的加入不仅改善了PEEK的磨损状况,而且降低了其摩擦系数,然而当其体积含量超过20%时容易导致粘滞滑动
)时更易发生。在PEEK中加入固体润滑剂粒子如CuS、行为,特别是当测试温度较高(如220℃PTFE和
MoS2等粒子也可明显提高PEEK复合材料的摩擦学性能。Voort等[16]研究发现,当CuS粒子的体积分数为35%时,PEEK复合材料的磨损率是PEEK的1Π6。但加入CuS也会使复合材料的摩擦系数上升,因为较硬的CuS粒子加入较软的PEEK中增加了犁耕效应。Lu等[17]的研究表明,在PEEK中加入PTFE能有
[18]效减小材料的摩擦系数,当PTFE的体积分数为15%时,PEEKΠPTFE复合材料的摩擦系数达到最低值。其复合材料的磨损率也低于纯PEEK的磨损率,因为PTFE自身就具有优良的润滑性能。Wang等
SiC的含量在215%～10%时,能更加有效地减低复合材料的磨损率。研究了纳米SiC改性PEEK的摩擦学性能,研究发现,纳米SiC的加入降低了复合材料的摩擦系数,并且纳米
在填料增强改性聚合物摩擦学性能过程中,不同填料的混合产生协同效应,使复合材料具有更加优异的摩擦磨损性能。VandeVoort[19]和Wang等[20]把PTFE粉末分别与CuS和纳米SiC混合加入到PEEK
[21]基体中发现,在PEEKΠPTFEΠCuS体系中,PTFE将减少复合材料的摩擦系数和磨损率,但在PEEKΠPTFEΠ纳米SiC体系中的情况相反,可能是因为纳米SiC与PTFE之间发生了化学反应。Han等把PTFE、CF、石
墨加入到PEEK中,研究了复合材料的摩擦磨损性能,在PEEKΠPTFEΠCFΠ石墨体系中,不同填料在有效的含量范围内能很大程度的改善PEEK复合材料的摩擦学性能。
PEEK复合材料的摩擦系数低、耐磨性好、承载啮合性好,是一种良好的摩擦材料[22]。但由于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[23]。
第1期高 分 子 通 报・43・113 聚苯硫醚(PPS)
聚苯硫醚(PPS)是目前生产规模最大的一种耐高温热塑性特种工程塑料。PPS的突出优点为耐高温、耐腐蚀、耐辐射、不燃、无毒、机械性能和电性能十分优异,制品的尺寸稳定性好,用途十分广泛[24,25]。由于PPS对石墨、玻纤、炭黑、陶瓷和金属等有较好的润湿作用和粘结性,通过添加摩擦改性填充剂改善PPS的摩擦行为是常用而有效的方法,这类填充剂主要有固体润滑性物质、陶瓷颗粒以及其它金属粉末等[26,27]。改性后的PPS作为摩擦材料,具有耐磨性好、加工性好、耐热高、对填料的粘接力强、力学性能优良等特性。
[28]佟伟等考察了聚四氟乙烯(PTFE)、纳米无机粒子及不同含量和粒度的石墨填充改性聚苯硫醚
(PPS)复合材料的摩擦磨损性能。石墨的添加有利于在对摩面上形成转移物,而且随着石墨含量的增加,材料的摩擦系数明显降低,但磨耗量却有所升高,而石墨的粒度变化对材料的摩擦性能没有太大的影响;当PTFE和石墨两种固体润滑剂同时加入时,材料的力学强度有所降低,但其摩擦系数及磨耗量都得到明显改善,材料以疲劳磨损为主;纳米无机粒子的加入会使材料的磨耗量有所增大,磨损。Bahadur等[29]研究了纳米TiO2、ZnO、CuO以及SiC填充PPS了PPS复合材料的摩擦系数,2、CuO的加入降低了PPS复合材料的磨损率,其最优含量为2vol.。[30]Cho等研究了纳米CuO填充、纤维(CF和K。PPSΠCuO体系中发现,Kevlar体系的摩擦系数是PPSΠCF的一半;当用
[31]纳米CuO,。同样,他还研究了MC(MoS2,
SiO2,CuS,23的摩擦行为,MC的加入降低了PPS的磨损率,而当在PPSΠMC体系中加入PTFE,PPSΠMCΠPTFE体系的摩擦系数的变化范围只有0127～0133,而且能得到最低的磨损率PPS复合材料的应用广泛,用于制作原子能、航空航天、汽车工业、医疗器械、运动器械和电子机械等方面的零部件。但是,由于它的熔点过高,使得复合材料的成型困难,因此限制了其在摩擦领域中的使用[32]。
114 聚酰亚胺(PI)
聚酰亚胺(PI)是20世纪50年代发展起来的一类具有十分稳定的芳杂环结构单元的耐热性高分子材料,在耐高温的工程塑料中,它是最有价值的品种之一。PI由于具有突出的热稳定性、机械性能、抗辐射和耐溶剂性能,并且在高温、高低压和高速等极端环境下有很好的摩擦磨损性能,是一类很有潜力应用于摩擦学领域中的基体材料。因此,近三十年来,对各种PI的摩擦学特性研究日益受到国内外学者的广泛关注[33]。
PI及其复合材料已经广泛应用在摩擦学系统的各个领域,如被用作各种轴承、齿轮、密封件、摩擦副和各种摩擦片。特别在真空的环境中,PI表现出优异的摩擦磨损性能,使其在航空航天领域的应用非常成功,如Vespel2PI复合材料已被制成各种齿轮在宇宙空间中使用。这类材料易于机加工,表面容易刨光
而适合做精密轴承。在机械工业中PI复合材料可用作轴承保持架、轴承搅拌器轴、医疗器件零部件和食品加工机械,在汽车工业中用作离合器滑动材料、压缩机密封材料等
适宜单独作为摩擦材料使用[35][34]。Czichos等对比了PI、PTFE、PA三种聚合物的耐磨性能,发现纯PI的摩擦系数和磨损率较大,纯PI不。因此在实际使用过程中通常通过材料的复合化来提高PI的摩擦学性能。填料的特性对PI基复合材料摩擦学性能的影响很大。通常,填料的加入会不同程度地改善聚合物的摩擦学性能,但也会影响其力学性能。填料在复合材料摩擦学行为研究中的应用一直是研究的热点,因此研究填料对PI基复合材料摩擦学性能的影响以及各种填料的作用机理,对提高PI基复合材料的摩擦学性能,推动PI基复合材料的研究、应用和发展,有十分重要的意义[36]。
纤维具有很高的强度和刚度,可以增加PI的机械性能。目前用于聚合物增强改性的纤维主要有碳
[37]纤维、玻璃纤维、芳纶纤维和各种晶须。陈震霖等采用不同特性玻璃质刚性填料(玻璃纤维、玻璃纤维
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月μμ粉、5m和20m玻璃微珠)填充改性热塑性聚酰亚胺(TPI),大尺寸填料的单位个体与基体的界面面积和
[38]结合强度大于小尺寸填料,其磨损率比小尺度填料的复合材料低。汪晓东等考察了短切碳纤维(CF)
增强热塑性聚酰亚胺(PI)复合材料的力学性能和摩擦磨损性能,适量碳纤维的加入可以有效改善材料的摩擦磨损性能,其中10%碳纤维填充PI摩擦因数为0112,仅为纯PI的4414%,但随CF含量进一步增大,摩擦因数趋于稳定;材料磨损率随CF加入下降了一个数量级。除了传统的增强纤维外,晶须具有很好的热稳定性和尺寸稳定性,作为一种高性能增强剂也开始应用在PI的改性中。晶须可提高材料的强度、热
[39]稳定性,改善材料的摩擦性能。
[40]Sheiretov等研究了低温下在PI中添加PTFE、石墨、MoS2三种固体润滑材料减磨效果,发现由于
PTFE内聚能低,容易形成转移膜,因此有很好的减磨效果,而MoS2在有氧的环境中减磨效果很差,在真空中和惰性气氛中有很好的热稳定性和摩擦性能。West研究发现15%石墨的PI复合材料的磨损率只有含15%MoS2的PI复合材料的1Π3。这不仅在于石墨的低摩擦磨损性,还因为石墨可有效地导出摩擦中产生的摩擦热,阻止PI的氧化或降解。黄丽等用模压成型法制备了PIΠPTFEΠ石墨两种复合材料,研究了材料的力学性能、摩擦性能,并进行了微观结构分析,并未使复合材料的摩擦性能有所提高,,而,摩擦性能有较大幅度的改善。当PTFE的含量为10%PIΠPTFEΠ石墨复合材
[44]料的摩擦系数都有很大程度的降低,之后,。Jia等
研究了在干摩擦及水润滑条件下Π,研究发现,在水润滑条件下,,这是水吸收层边界润滑的作用。
,一直是复合材料摩擦学研究的一个重要方面。无,从而提高聚合物的耐磨性。在双马来酰亚胺(BMI)中加,使摩擦稳定,而且还可以提高摩擦副的耐磨性。随氧化铜用量增加,摩擦副的耐磨性增加。分析表明氧化铜的加入促使BMI在对偶铝环表面形成牢固的转移膜,转移
[45][46]膜减小铝环的磨损,同时抑制了BMI复合材料的磨损。曲建俊在研究氧化铜和硅灰石两种无机填
料对双马来酰亚胺与硬铝合金对磨的摩擦学性能的影响时发现,随氧化铜用量增加,滑动副的摩擦系数和耐磨性均增加,随硅灰石用量增加和粒径减小,滑动副的耐磨性提高,摩擦系数减小。PTFE与Sa共同填充BMI,不仅能进一步降低复合材料的摩擦系数和磨损量,而且能有效地抑制对偶件上的划伤。
[47]同样,纳米粒子用来改善PI复合材料的摩擦磨损性能的研究日益成为热点。Yan等研究了纳米
Al2O3填充改性PI的摩擦学性能,研究发现,当纳米粒子的含量在310%～410%时,PIΠAl2O3纳米复合材料呈现较低的摩擦系数和磨损率。他还研究了PIΠCNT纳米复合材料的摩擦磨损性能,CNT的加入能有效提高材料的力学性能,增强抗磨能力。[48][43][41][42]
2 高性能耐热性环氧树脂
环氧树脂(epoxy)是一种在涂料、胶粘剂、复合材料等领域应用较广泛的热固性高分子材料,其固化物具有高强度、高模量、优良的尺寸稳定性及耐腐蚀性等优点。然而,由于三维交联网络的结构特点所限,环氧树脂的摩擦磨损性能较差,通常需要与其它无机填料复合才能获得良好的减摩耐磨效果。近年来无机纳米粒子在高分子材料改性方面的应用成为一个研究热点。
[49]Larsen等利用GF及CFΠAramid编织纤维改性环氧树脂的摩擦磨损性能,并作了比较,它们都能提
[50]高复合材料的耐磨性能,但epoxyΠCFΠAramid的抗磨损性能更优于epoxyΠGF复合材料。Vasconcelos等研
究了环氧树脂、环氧树脂ΠAl粉、环氧树脂ΠAl粉Π纤维三种体系的在室温和160℃时的摩擦磨损性能,当加入填料后,复合材料的摩擦系数不管在室温还是在160℃条件下,其变化范围很小,并趋于稳定。Zhang等[51]考察了碳纳米管增强环氧树脂的摩擦磨损性能,研究发现,碳纳米管的RcΠm是影响其性能的重要因
[52]素,当RcΠm>25%时,复合材料的磨损率降低,这主要是因为碳纳米管在摩擦过程中迁移到复合材料的表面,起到了保护环氧基体的作用。同样,石光等研究了纳米Al2O3填充环氧树脂复合材料的摩擦学性
第1期高 分 子 通 报・45・能,结果表明,经过表面化学接枝处理后,少量的纳米Al2O3(体积分数约0124%)可大幅度提高环氧树脂的摩擦磨损性能,起到显著的减摩和耐磨作用。还有文献报道
TiO2复合材料的摩擦磨损性能有很大的改善。[53],短碳纤维、Aramid纤维以及PTFE的添加对环氧树脂Π纳米TiO2复合材料的摩擦磨损性能的影响,少量PTFE的加入对纤维增强环氧树脂Π纳米
3 结束语
本文有选择的讨论了高性能耐高温聚合物及其复合材料的摩擦与磨损性能。各种填料,包括纤维,固体润滑剂,无机化合物以及无机纳米粒子对提高聚合物的力学性能及耐磨性能非常有效。而值得关注的是,填料的协同作用对减低高性能耐高温聚合物的摩擦系数及磨损率有更大的帮助。就目前的研究现状,对高性能耐高温聚合物及其复合材料的摩擦学行为应在以下几方面展开:(1)高性能耐高温聚合物的摩擦磨损性能的提高关键在于基体材料,如将功能结构引入先进高温材料中,研究和开发高温功能材料;(2)研究填料与高性能耐高温基体材料的界面特性、粘结性,;(3)高性能耐高温聚合物之间以及与其它热塑性、,料的摩擦磨损性能的影响;(4);其它填料之间的协同作用,,建立能被公认的摩擦磨损模型;(5)(6)开发高,,并研究这些材料的摩擦学特性及它们在摩擦学工程中的应用。
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DevelopmentofResearchonFrictionandWearofHighPerformance
andhighTemperaturePolymerComposites
DENGXin,LIDu2xin,YANGJun,WANGJing
21122(1StateKeyLaboratoryofPowderMetallurgy,CentralSouthUniver
sity,Hu’nanChangsha410083,China;ZhuzhouTimesNewMaterialTechnologyCo.LTD,Hu’nanZhuzhou412007,China)
Abstract:Thedevelopmentofresearchonfrictionandwearofhighperformanceandhightemperaturepolymercompositeswereintroducedinthispaper,includingpolytetrafluoroethylene(PTFE),poly(etheretherketone)(PEEK),polyphenylenesulphide(PPS),polyimide(PI).Theeffectsofdifferentfillersonfrictioncoefficientandwearrateofpolymercompositeswerediscussed,suchasfibers,solidlubricant,inorganiccompoundandnano2particles.Theresultsshowthatthefillerscanimprovetribologicalpropertiesofpolymer.Andtheinteractioneffectofdifferentfillerscaneffectivelyreducefrictioncoefficientandwearrateofthecomposites.
Keywords:Highperformance;Hightemperaturepolymercomposites;Friction;Wear
第1期高 分 子 通 报・41・
高性能耐高温聚合物复合材料的摩擦磨损性能研究
邓 鑫,李笃信
2113,杨 军,王 静22(1中南大学粉末冶金研究院国家重点实验室,长沙 410083;株洲时代新材料科技股份有限公司,株洲 412007)
摘要:介绍了一些常见的高性能耐高温聚合物及其复合材料的摩擦与磨损性能的研究及其新进展,包括聚
四氟乙烯(PTFE)、聚醚醚酮(PEEK)、聚苯硫醚(PPS)、聚酰亚胺(PI)等。并讨论了不同种类的填料,如纤维、固体润滑剂、,许多研究结果表明,适量填料的加入能提高聚合物基复合材料的耐磨性能,擦系数及磨损率有更大的帮助。
关键词:高性能;耐高温聚合物基复合材料;摩擦;磨损
,,新型合成树脂尼龙(PA)、聚四氟乙烯(PTFE)、)(PI)以及环氧树脂基的减摩复合材料也相继被开发。采用聚合物为基、耐磨、耐腐蚀、减震吸振、减低噪音、相对密度小、比强度和加工简便等系列优良特性,因此,作为其它材料的替代产品或换代产品获得了越来越多的应用。
随着尖端技术的迅速发展,对耐磨减磨材料的要求越来越高。如要求制作在高温、高速、高真空及辐射环境中工作的摩擦零部件,一般工程聚合物就很难胜任。为了提高摩擦材料的使用温度,延长摩擦材料的使用寿命,大量研究工作集中在耐热性聚合物基体的复合材料上[1]。高性能耐热性聚合物为基体的耐磨复合材料,与金属材料相比,具有耐高温性能好、化学性质稳定、抗腐蚀能力强、消声减震效果显著、维修保养方便等优点。这类材料通常以耐热性好、本身具有一定自润滑能力的聚合物作为基体,向其中加入一种或多种固体润滑剂及其它改性增强剂而制成,可以用来制作耐磨的零部件(如轴承、齿轮、活塞环和滑动导轨等),在航空、航天、机械、电子等领域作为摩擦件广泛使用。通常的高性能耐热性聚合物主要有聚四氟乙烯(PTFE)、聚醚醚酮(PEEK)、聚苯硫醚(PPS)、聚酰亚胺(
PI)、耐高温环氧树脂等。本文将系统地介绍常用的高性能耐热性聚合物基复合材料摩擦与磨损性能的研究进展。[2]
1 高性能耐热性热塑性聚合物
111 聚四氟乙烯(PTFE)
聚四氟乙烯(PTFE)被誉为“塑料王”,是一种重要的热塑性塑料,也是当前国内外广泛使用的工程塑料之一。在所有的工程塑料之中,PTFE具有最低的摩擦系数,最高的使用温度区间以及最低的表面能,在摩擦与磨损领域中有着十分特殊的地位。
为改善PTFE的摩擦学性能,人们用不同种类的填料对PTFE进行填充改性,并对PTFE基复合材料的摩擦磨损性能进行了研究,在此基础上开发出一系列PTFE基减摩、抗磨复合材料。Tanaka等进行了玻璃纤维(GF)、青铜(Bronze)、ZrO2、TiO2、MoS2、石墨(Graphite)等不同填充物改性PTFE耐磨性能的研究。
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・42・高 分 子 通 报2008年1
月PTFE基复合材料的摩擦系数受滑动速度的影响较少。在载荷10N下,除ZrO22PTFE外,随着滑动速度的增加,大多数改性PTFE复合材料的摩擦系数与未填充PTFE的相近,在012～013范围之内变化。当载荷增加到50N时,PTFE复合材料的摩擦系数随着载荷的增加而减少。因为载荷增加后,聚合物与对磨面的接触面积增大,生热大,增加了聚合物的粘附能力,更容易产生转移膜,形成了聚合物与聚合物之间的摩擦从而减小了摩擦系数。
近年来,许多研究工作者也进行了PTFE基复合材料的研究。Zhang等发现,在相同的含量下,不同的填料(Cu、Pb、Ni、SiC、Si3N4等)对PTFE的摩擦磨损性能的影响差别很大,Cu的填充性能最好。唐炜等和赵安赤等研究发现液晶材料能很好的提高PTFE的耐磨损性能。
王乙潜等认为,滑移速度对PTFE复合材料的磨损和摩擦的影响主要表现在它对界面温度的贡献,
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磨损性能作了比较后认为,介质的存在大大改善了复合材料的摩擦学性能。
人们对影响PTFE复合材料摩擦学性能的内部因素也进行了研究。Durand等,随PTFE基体中第二相陶瓷颗粒粒径的增大,复合材料的耐磨性能增强[10][9][7][5][6][4]O3填充PTFE基复合材料的摩擦磨损性能的研究,随填料含量的增加,同时摩擦系数有所增大。
112 聚醚醚酮(PEEK)
聚醚醚酮(PEEK),,作为高性能复合材料的基体,PEEK因韧性好、蠕变率低且耐高温成为轴承、齿轮、活塞环[11[13][12]。但当PEEK在铁金属,,并在某一临界温度或热量耗散率下,摩擦功耗上升极快,同时摩,从而不能在实际中实现其高性能。为了进一步提高PEEK的
摩擦学性能,将PEEK与其它聚合物共混或采用碳纤维(CF)、玻璃纤维(GF)、无机纳米粒子等复合增强,已成为制备摩擦学性能和力学性能更优异的PEEK复合材料的首选。
Stuart等[14]研究了PEEK与其它聚合物共混时的摩擦磨损性能。在温度比较高的使用环境中,PEEK
[15]具有很好的摩擦学性能,特别是其与PI、PTFE以及某些液晶高分子材料的共混物,性能更好。Lu等研
究了PEEK短切碳纤维增强复合材料的摩擦磨损性能。在较宽的温度变化范围内,短切碳纤维的加入不仅改善了PEEK的磨损状况,而且降低了其摩擦系数,然而当其体积含量超过20%时容易导致粘滞滑动
)时更易发生。在PEEK中加入固体润滑剂粒子如CuS、行为,特别是当测试温度较高(如220℃PTFE和
MoS2等粒子也可明显提高PEEK复合材料的摩擦学性能。Voort等[16]研究发现,当CuS粒子的体积分数为35%时,PEEK复合材料的磨损率是PEEK的1Π6。但加入CuS也会使复合材料的摩擦系数上升,因为较硬的CuS粒子加入较软的PEEK中增加了犁耕效应。Lu等[17]的研究表明,在PEEK中加入PTFE能有
[18]效减小材料的摩擦系数,当PTFE的体积分数为15%时,PEEKΠPTFE复合材料的摩擦系数达到最低值。其复合材料的磨损率也低于纯PEEK的磨损率,因为PTFE自身就具有优良的润滑性能。Wang等
SiC的含量在215%～10%时,能更加有效地减低复合材料的磨损率。研究了纳米SiC改性PEEK的摩擦学性能,研究发现,纳米SiC的加入降低了复合材料的摩擦系数,并且纳米
在填料增强改性聚合物摩擦学性能过程中,不同填料的混合产生协同效应,使复合材料具有更加优异的摩擦磨损性能。VandeVoort[19]和Wang等[20]把PTFE粉末分别与CuS和纳米SiC混合加入到PEEK
[21]基体中发现,在PEEKΠPTFEΠCuS体系中,PTFE将减少复合材料的摩擦系数和磨损率,但在PEEKΠPTFEΠ纳米SiC体系中的情况相反,可能是因为纳米SiC与PTFE之间发生了化学反应。Han等把PTFE、CF、石
墨加入到PEEK中,研究了复合材料的摩擦磨损性能,在PEEKΠPTFEΠCFΠ石墨体系中,不同填料在有效的含量范围内能很大程度的改善PEEK复合材料的摩擦学性能。
PEEK复合材料的摩擦系数低、耐磨性好、承载啮合性好,是一种良好的摩擦材料[22]。但由于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[23]。
第1期高 分 子 通 报・43・113 聚苯硫醚(PPS)
聚苯硫醚(PPS)是目前生产规模最大的一种耐高温热塑性特种工程塑料。PPS的突出优点为耐高温、耐腐蚀、耐辐射、不燃、无毒、机械性能和电性能十分优异,制品的尺寸稳定性好,用途十分广泛[24,25]。由于PPS对石墨、玻纤、炭黑、陶瓷和金属等有较好的润湿作用和粘结性,通过添加摩擦改性填充剂改善PPS的摩擦行为是常用而有效的方法,这类填充剂主要有固体润滑性物质、陶瓷颗粒以及其它金属粉末等[26,27]。改性后的PPS作为摩擦材料,具有耐磨性好、加工性好、耐热高、对填料的粘接力强、力学性能优良等特性。
[28]佟伟等考察了聚四氟乙烯(PTFE)、纳米无机粒子及不同含量和粒度的石墨填充改性聚苯硫醚
(PPS)复合材料的摩擦磨损性能。石墨的添加有利于在对摩面上形成转移物,而且随着石墨含量的增加,材料的摩擦系数明显降低,但磨耗量却有所升高,而石墨的粒度变化对材料的摩擦性能没有太大的影响;当PTFE和石墨两种固体润滑剂同时加入时,材料的力学强度有所降低,但其摩擦系数及磨耗量都得到明显改善,材料以疲劳磨损为主;纳米无机粒子的加入会使材料的磨耗量有所增大,磨损。Bahadur等[29]研究了纳米TiO2、ZnO、CuO以及SiC填充PPS了PPS复合材料的摩擦系数,2、CuO的加入降低了PPS复合材料的磨损率,其最优含量为2vol.。[30]Cho等研究了纳米CuO填充、纤维(CF和K。PPSΠCuO体系中发现,Kevlar体系的摩擦系数是PPSΠCF的一半;当用
[31]纳米CuO,。同样,他还研究了MC(MoS2,
SiO2,CuS,23的摩擦行为,MC的加入降低了PPS的磨损率,而当在PPSΠMC体系中加入PTFE,PPSΠMCΠPTFE体系的摩擦系数的变化范围只有0127～0133,而且能得到最低的磨损率PPS复合材料的应用广泛,用于制作原子能、航空航天、汽车工业、医疗器械、运动器械和电子机械等方面的零部件。但是,由于它的熔点过高,使得复合材料的成型困难,因此限制了其在摩擦领域中的使用[32]。
114 聚酰亚胺(PI)
聚酰亚胺(PI)是20世纪50年代发展起来的一类具有十分稳定的芳杂环结构单元的耐热性高分子材料,在耐高温的工程塑料中,它是最有价值的品种之一。PI由于具有突出的热稳定性、机械性能、抗辐射和耐溶剂性能,并且在高温、高低压和高速等极端环境下有很好的摩擦磨损性能,是一类很有潜力应用于摩擦学领域中的基体材料。因此,近三十年来,对各种PI的摩擦学特性研究日益受到国内外学者的广泛关注[33]。
PI及其复合材料已经广泛应用在摩擦学系统的各个领域,如被用作各种轴承、齿轮、密封件、摩擦副和各种摩擦片。特别在真空的环境中,PI表现出优异的摩擦磨损性能,使其在航空航天领域的应用非常成功,如Vespel2PI复合材料已被制成各种齿轮在宇宙空间中使用。这类材料易于机加工,表面容易刨光
而适合做精密轴承。在机械工业中PI复合材料可用作轴承保持架、轴承搅拌器轴、医疗器件零部件和食品加工机械,在汽车工业中用作离合器滑动材料、压缩机密封材料等
适宜单独作为摩擦材料使用[35][34]。Czichos等对比了PI、PTFE、PA三种聚合物的耐磨性能,发现纯PI的摩擦系数和磨损率较大,纯PI不。因此在实际使用过程中通常通过材料的复合化来提高PI的摩擦学性能。填料的特性对PI基复合材料摩擦学性能的影响很大。通常,填料的加入会不同程度地改善聚合物的摩擦学性能,但也会影响其力学性能。填料在复合材料摩擦学行为研究中的应用一直是研究的热点,因此研究填料对PI基复合材料摩擦学性能的影响以及各种填料的作用机理,对提高PI基复合材料的摩擦学性能,推动PI基复合材料的研究、应用和发展,有十分重要的意义[36]。
纤维具有很高的强度和刚度,可以增加PI的机械性能。目前用于聚合物增强改性的纤维主要有碳
[37]纤维、玻璃纤维、芳纶纤维和各种晶须。陈震霖等采用不同特性玻璃质刚性填料(玻璃纤维、玻璃纤维
・44・高 分 子 通 报2008年1
月μμ粉、5m和20m玻璃微珠)填充改性热塑性聚酰亚胺(TPI),大尺寸填料的单位个体与基体的界面面积和
[38]结合强度大于小尺寸填料,其磨损率比小尺度填料的复合材料低。汪晓东等考察了短切碳纤维(CF)
增强热塑性聚酰亚胺(PI)复合材料的力学性能和摩擦磨损性能,适量碳纤维的加入可以有效改善材料的摩擦磨损性能,其中10%碳纤维填充PI摩擦因数为0112,仅为纯PI的4414%,但随CF含量进一步增大,摩擦因数趋于稳定;材料磨损率随CF加入下降了一个数量级。除了传统的增强纤维外,晶须具有很好的热稳定性和尺寸稳定性,作为一种高性能增强剂也开始应用在PI的改性中。晶须可提高材料的强度、热
[39]稳定性,改善材料的摩擦性能。
[40]Sheiretov等研究了低温下在PI中添加PTFE、石墨、MoS2三种固体润滑材料减磨效果,发现由于
PTFE内聚能低,容易形成转移膜,因此有很好的减磨效果,而MoS2在有氧的环境中减磨效果很差,在真空中和惰性气氛中有很好的热稳定性和摩擦性能。West研究发现15%石墨的PI复合材料的磨损率只有含15%MoS2的PI复合材料的1Π3。这不仅在于石墨的低摩擦磨损性,还因为石墨可有效地导出摩擦中产生的摩擦热,阻止PI的氧化或降解。黄丽等用模压成型法制备了PIΠPTFEΠ石墨两种复合材料,研究了材料的力学性能、摩擦性能,并进行了微观结构分析,并未使复合材料的摩擦性能有所提高,,而,摩擦性能有较大幅度的改善。当PTFE的含量为10%PIΠPTFEΠ石墨复合材
[44]料的摩擦系数都有很大程度的降低,之后,。Jia等
研究了在干摩擦及水润滑条件下Π,研究发现,在水润滑条件下,,这是水吸收层边界润滑的作用。
,一直是复合材料摩擦学研究的一个重要方面。无,从而提高聚合物的耐磨性。在双马来酰亚胺(BMI)中加,使摩擦稳定,而且还可以提高摩擦副的耐磨性。随氧化铜用量增加,摩擦副的耐磨性增加。分析表明氧化铜的加入促使BMI在对偶铝环表面形成牢固的转移膜,转移
[45][46]膜减小铝环的磨损,同时抑制了BMI复合材料的磨损。曲建俊在研究氧化铜和硅灰石两种无机填
料对双马来酰亚胺与硬铝合金对磨的摩擦学性能的影响时发现,随氧化铜用量增加,滑动副的摩擦系数和耐磨性均增加,随硅灰石用量增加和粒径减小,滑动副的耐磨性提高,摩擦系数减小。PTFE与Sa共同填充BMI,不仅能进一步降低复合材料的摩擦系数和磨损量,而且能有效地抑制对偶件上的划伤。
[47]同样,纳米粒子用来改善PI复合材料的摩擦磨损性能的研究日益成为热点。Yan等研究了纳米
Al2O3填充改性PI的摩擦学性能,研究发现,当纳米粒子的含量在310%～410%时,PIΠAl2O3纳米复合材料呈现较低的摩擦系数和磨损率。他还研究了PIΠCNT纳米复合材料的摩擦磨损性能,CNT的加入能有效提高材料的力学性能,增强抗磨能力。[48][43][41][42]
2 高性能耐热性环氧树脂
环氧树脂(epoxy)是一种在涂料、胶粘剂、复合材料等领域应用较广泛的热固性高分子材料,其固化物具有高强度、高模量、优良的尺寸稳定性及耐腐蚀性等优点。然而,由于三维交联网络的结构特点所限,环氧树脂的摩擦磨损性能较差,通常需要与其它无机填料复合才能获得良好的减摩耐磨效果。近年来无机纳米粒子在高分子材料改性方面的应用成为一个研究热点。
[49]Larsen等利用GF及CFΠAramid编织纤维改性环氧树脂的摩擦磨损性能,并作了比较,它们都能提
[50]高复合材料的耐磨性能,但epoxyΠCFΠAramid的抗磨损性能更优于epoxyΠGF复合材料。Vasconcelos等研
究了环氧树脂、环氧树脂ΠAl粉、环氧树脂ΠAl粉Π纤维三种体系的在室温和160℃时的摩擦磨损性能,当加入填料后,复合材料的摩擦系数不管在室温还是在160℃条件下,其变化范围很小,并趋于稳定。Zhang等[51]考察了碳纳米管增强环氧树脂的摩擦磨损性能,研究发现,碳纳米管的RcΠm是影响其性能的重要因
[52]素,当RcΠm>25%时,复合材料的磨损率降低,这主要是因为碳纳米管在摩擦过程中迁移到复合材料的表面,起到了保护环氧基体的作用。同样,石光等研究了纳米Al2O3填充环氧树脂复合材料的摩擦学性
第1期高 分 子 通 报・45・能,结果表明,经过表面化学接枝处理后,少量的纳米Al2O3(体积分数约0124%)可大幅度提高环氧树脂的摩擦磨损性能,起到显著的减摩和耐磨作用。还有文献报道
TiO2复合材料的摩擦磨损性能有很大的改善。[53],短碳纤维、Aramid纤维以及PTFE的添加对环氧树脂Π纳米TiO2复合材料的摩擦磨损性能的影响,少量PTFE的加入对纤维增强环氧树脂Π纳米
3 结束语
本文有选择的讨论了高性能耐高温聚合物及其复合材料的摩擦与磨损性能。各种填料,包括纤维,固体润滑剂,无机化合物以及无机纳米粒子对提高聚合物的力学性能及耐磨性能非常有效。而值得关注的是,填料的协同作用对减低高性能耐高温聚合物的摩擦系数及磨损率有更大的帮助。就目前的研究现状,对高性能耐高温聚合物及其复合材料的摩擦学行为应在以下几方面展开:(1)高性能耐高温聚合物的摩擦磨损性能的提高关键在于基体材料,如将功能结构引入先进高温材料中,研究和开发高温功能材料;(2)研究填料与高性能耐高温基体材料的界面特性、粘结性,;(3)高性能耐高温聚合物之间以及与其它热塑性、,料的摩擦磨损性能的影响;(4);其它填料之间的协同作用,,建立能被公认的摩擦磨损模型;(5)(6)开发高,,并研究这些材料的摩擦学特性及它们在摩擦学工程中的应用。
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andhighTemperaturePolymerComposites
DENGXin,LIDu2xin,YANGJun,WANGJing
21122(1StateKeyLaboratoryofPowderMetallurgy,CentralSouthUniver
sity,Hu’nanChangsha410083,China;ZhuzhouTimesNewMaterialTechnologyCo.LTD,Hu’nanZhuzhou412007,China)
Abstract:Thedevelopmentofresearchonfrictionandwearofhighperformanceandhightemperaturepolymercompositeswereintroducedinthispaper,includingpolytetrafluoroethylene(PTFE),poly(etheretherketone)(PEEK),polyphenylenesulphide(PPS),polyimide(PI).Theeffectsofdifferentfillersonfrictioncoefficientandwearrateofpolymercompositeswerediscussed,suchasfibers,solidlubricant,inorganiccompoundandnano2particles.Theresultsshowthatthefillerscanimprovetribologicalpropertiesofpolymer.Andtheinteractioneffectofdifferentfillerscaneffectivelyreducefrictioncoefficientandwearrateofthecomposites.
Keywords:Highperformance;Hightemperaturepolymercomposites;Friction;Wear