聚四氟乙烯(PTFE)具有優異的減摩性和良好的自潤滑性, 但耐磨性較差。目前國內外對PTFE的研究重點集中在尋找適當的方法對其進行改性, 一般采用填充改性、表面改性和共混改性等方法彌補PTFE自身的缺陷。隨著碳材料技術水平的提高和應用范圍的推廣, 出現了許多新型碳材料。許多學者對不同碳材料填充復合材料摩擦磨損性能進行了研究。軟碳是通過高溫裂解有機芳香族化合物或者亞穩態瀝青獲得的, Bus的尺寸為(20～100)×10^-10m, 它們能夠形成層間入混合物或氧化石墨,在遠低于最高熱處理(HTT)溫度的情況下就能夠形成無序態碳。軟碳是鋰離子電池負極的主要板, 可大大增加有效攻擊范圍。將軟碳作為填料增強復合材料摩擦磨損的研究鮮有報道。本文作者采用軟碳增強PTFE復合材料的摩擦磨損性能, 考察了其含量對復合材料摩擦磨損性能的影響。利用掃描電子顯微鏡探討了復合材料的磨損機制。

1、試驗部分

1.1、材料制備

　　所用PTFE為濟南化工廠生產, 平均粒度50μm,軟碳平均直徑小于等于400nm。試驗材料的制備是將軟碳按質量分數5%、7%、10%、15%加入到PTFE中, 用高速攪拌機混合, 經過預冷壓燒結成型,機加工成毛坯制品, 按實驗要求將材料銑成試樣, 在800#金相砂紙上打磨, 用干棉球擦干凈。試樣尺寸為6mm×7mm×30mm。

1.2、試驗方法

　　采用MM-200型摩擦磨損試驗機, 在轉速為200r/min、時間為30min及干摩擦滑動條件下, 測定試樣在不同填料含量、不同載荷作用下的磨損質量損失(用精度為0.1 mg的光電分析天平稱出) 及摩擦因數(通過計算摩擦力矩計算) 。對偶件為45#鋼環, 其尺寸為<45mm ×10mm, 表面粗糙度為R_a0.08～0.12μm。用JSM-6300型掃描電子顯微鏡( SEM) 對軟碳填充復合材料磨損表面的形貌進行觀察分析, 硬度用HR2150A洛氏硬度計測量。

2、試驗結果與討論

2.1、材料的硬度

　　表1為不同含量軟碳PTFE復合材料的洛氏硬度。從表中可知: 隨軟碳含量的增加, PTFE復合材料的洛氏硬度逐漸增大, 說明軟碳能提高PTFE復合材料的硬度。質量分數為5%～10%時, 硬度增加1.5～1.6倍, 增加幅度變化并不明顯, 而當質量分數達到15%時硬度較大, 約為純PTFE的2.4倍。增強材料和基體材料組成的復合材料, 其硬度特性主要由復合材料的組元性能和組元間的結構性能所決定。

表1　不同含量軟碳填充PTFE復合材料的硬度

　　軟碳作為增強材料, 在復合材料中作為主要承載物質, 以網絡狀在基體中均勻分散分布, 由于其有高的比強度和彈性模量, 能有效地阻止復合材料塑性變形的發生, 使體系的強度提高。且隨著含量的增加, 在復合材料中網狀分布更加密集, 基體材料塑性變形的程度更小, 其強度增大。但是由于填料與基體的結合是機械結合, 復合材料中基體與填料的界面會存在缺陷, 含量過高可能反而會降低復合材料的強度、硬度等機械特性。

圖1 PTFE在不同載荷下的磨損質量損失

2.2、摩擦磨損性能

　　圖1為PTFE在不同載荷下的磨損質量損失。圖2(a)為軟碳填充PTFE復合材料在不同填料含量下的磨損質量損失。從圖中可以看出, 載荷一定時, 復合材料的磨損量隨軟碳含量的增加而減小, 說明軟碳的加入可以大大提高PTFE的耐磨性。PTFE復合材料的磨損量相比純PTFE下降了1～2個數量級。但當軟碳質量分數超過7%時, 磨損量隨含量的變化不大, 甚至在軟碳質量分數達到15%時有所增加, 這可能是由于顆粒含量的增加一方面阻礙了聚合物基體產生黏著磨損, 提高了復合材料的耐磨性能; 另一方面, 隨顆粒含量增加, 復合材料的磨損以磨料磨損為主, 在磨損過程中會產生纖維脫落, 成為松散磨料,顆粒含量增加的同時松散磨料的數目也逐漸增大, 在一定程度上加劇了對復合材料的磨料磨損, 正反兩方面作用的結果必然存在最佳顆粒含量, 在本試驗條件下PTFE基復合材料中顆粒的最佳含量為7%。在填料含量相同時, 隨著載荷的增加, 磨損量也增加。

圖2 軟碳填充PTFE復合材料在不同填料含量下的磨損質量損失