孫小波，李建星，時(shí)連衛(wèi)，王子君

(洛陽(yáng)軸研科技股份有限公司，河南 洛陽(yáng) 471039)

聚四氟乙烯(PTFE)具有很低的摩擦系數(shù)，在摩擦過程中，能在很短的時(shí)間內(nèi)在對(duì)偶面形成轉(zhuǎn)移膜，對(duì)摩擦副起潤(rùn)滑作用，是優(yōu)良的軸承自潤(rùn)滑保持架材料。但由于耐磨性及耐冷流性差，硬度低，成型和二次加工困難等缺點(diǎn)，使其應(yīng)用受到限制[1]。為了克服這些缺點(diǎn)，通常添加填料對(duì)其進(jìn)行改性。采用無機(jī)、金屬及金屬氧化物和納米粒子填料改性時(shí)，材料強(qiáng)度和耐磨性有所提高，但仍存在著一些缺點(diǎn)，如與PTFE基體之間的相容性較差，在基體中出現(xiàn)明顯界面，且不易分散均勻和易損傷對(duì)磨件等[2]。而高聚物填料在改善聚四氟乙烯耐磨性和耐冷流性的基礎(chǔ)上，能避免上述問題。聚苯酯是一種芳香族聚酯系耐熱聚合物，晶體呈片狀，具有優(yōu)良的自潤(rùn)滑性和耐磨性，PV極限值高，耐輻射，耐有機(jī)溶劑，可以與PTFE在很大的比例范圍共混冷壓后燒結(jié)成型，克服PTFE的蠕變性和聚苯酯的脆性[3]。

本例以聚苯酯為增強(qiáng)劑，制備出耐磨損及自潤(rùn)滑的聚四氟乙烯/聚苯酯軸承保持架復(fù)合材料。考察了聚苯酯添加量和燒結(jié)工藝中降溫速率對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能和摩擦、磨損性能的影響。

1 試驗(yàn)

1.1 復(fù)合材料的制備

取適量的聚苯酯和聚四氟乙烯在高速組織破碎機(jī)中充分?jǐn)嚢杌旌?，?jīng)過篩、烘干并冷壓成型?；旌狭蠎?yīng)現(xiàn)配現(xiàn)用，若兩天內(nèi)未壓制，用前須于150 ℃復(fù)烘2 h并過篩后使用[1]。

1.2 性能測(cè)試

采用DNS20型電子微控萬能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試保持架復(fù)合材料的徑向拉伸強(qiáng)度，拉伸速度為10 mm/min。TMK-0型摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)測(cè)試保持架復(fù)合材料的摩擦磨損性能，測(cè)試條件為：載荷7.42 N，干摩擦，時(shí)間30 min，轉(zhuǎn)速1 000 r/min。硬度采用V-SD型邵氏硬度計(jì)測(cè)試。

2 結(jié)果與討論

2.1 聚苯酯含量對(duì)聚四氟乙烯基保持架復(fù)合材料力學(xué)性能的影響

2.1.1 對(duì)拉伸強(qiáng)度的影響

圖1為聚苯酯含量對(duì)保持架復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度的影響。從圖1可以看出，隨著聚苯酯含量的增加，保持架復(fù)合材料的斷裂伸長(zhǎng)率變小，徑向拉伸強(qiáng)度降低。這主要是由于PTFE與聚苯酯的結(jié)構(gòu)差別很大，界面耦合作用差，在外力作用下，填料兩極處易產(chǎn)生空穴，引起應(yīng)力集中，從而使保持架復(fù)合材料的伸長(zhǎng)率和拉伸強(qiáng)度下降[4]。PTFE與聚苯酯的熱膨脹系數(shù)不同，在燒結(jié)和冷卻過程中，可能產(chǎn)生足夠大的應(yīng)力，導(dǎo)致兩相界面產(chǎn)生分離或孔隙，這種內(nèi)部缺陷也會(huì)導(dǎo)致拉伸性能下降[5]。

圖1 聚苯酯含量對(duì)復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度的影響

2.1.2 對(duì)硬度的影響

聚苯酯含量對(duì)保持架復(fù)合材料硬度的影響見表1。從表1可以看出，隨著聚苯酯添加量的增加，復(fù)合材料的邵氏硬度逐漸增加。這是由于聚苯酯是剛性材料，本身硬度遠(yuǎn)大于聚四氟乙烯的硬度，兩者共混后，保持架復(fù)合材料剛性增加，硬度變大。

表1 聚苯酯含量對(duì)保持架復(fù)合材料硬度的影響

2.2 聚苯酯含量對(duì)聚四氟乙烯基復(fù)合材料摩擦性能的影響

圖2為聚苯酯含量對(duì)聚四氟乙烯基復(fù)合材料摩擦、磨損性能的影響。圖2表明，隨著聚苯酯含量的增加，復(fù)合材料的摩擦系數(shù)逐漸增加，但磨損量急劇降低。聚苯酯添加量達(dá)到20%后，隨著添加量的增加，保持架復(fù)合材料磨損量的下降趨勢(shì)變緩；添加40%的聚苯酯時(shí)，復(fù)合材料的耐磨性約提高兩個(gè)數(shù)量級(jí)。

圖2 聚苯酯含量對(duì)復(fù)合材料摩擦性能的影響

由于聚苯酯的摩擦系數(shù)比PTFE大，所以隨著聚苯酯含量的增加，復(fù)合材料的摩擦系數(shù)也隨之增大。復(fù)合材料耐磨性提高的原因在于：(1)添加聚苯酯改變了基體的組織結(jié)構(gòu)，阻止PTFE大分子的帶狀撕離，保護(hù)PTFE 基體不易磨損[6]；(2)PTFE很軟，對(duì)摩擦界面顆粒有很好的嵌埋相容性，添加聚苯酯后導(dǎo)致硬度提高，改善了材料的耐磨性能，復(fù)合材料的磨痕寬度也變小，如表2所示。

表2 聚苯酯含量對(duì)保持架復(fù)合材料磨痕寬度的影響

聚苯酯含量大于20%時(shí)，保持架復(fù)合材料的耐磨性能增加幅度減小，這是由于隨著基體中聚苯酯含量的增加，復(fù)合材料脆性增加，對(duì)顆粒固定能力降低，在磨損過程中聚苯酯脫落數(shù)量增加，并作為磨粒參與磨損[7]；另一方面基體中聚苯酯的增加，會(huì)使材料摩擦系數(shù)增大，導(dǎo)致磨損過程中產(chǎn)生大量的摩擦熱，增加變形，從而又導(dǎo)致摩擦接觸面和摩擦系數(shù)增加，結(jié)果摩擦熱更多，對(duì)復(fù)合材料的磨損也起到了加速的作用[6]。

綜合考慮保持架復(fù)合材料的力學(xué)性能、摩擦磨損性能和經(jīng)濟(jì)效益比，聚苯酯的添加量最佳為20%。

2.3 燒結(jié)工藝對(duì)保持架性能的影響

燒結(jié)工藝對(duì)保持架材料性能的影響至關(guān)重要，降溫階段所用時(shí)間對(duì)材料結(jié)晶度、硬度、強(qiáng)度和磨損性能有重要影響[8]。本案重點(diǎn)考察降溫所用時(shí)間對(duì)保持架性能的影響。在降溫階段應(yīng)控制降溫所用時(shí)間，使材料溫度到達(dá)結(jié)晶速率最大的溫度區(qū)間(315～320 ℃)后保溫一段時(shí)間，以便聚合物的非晶相充分結(jié)晶[9]。該溫度區(qū)間的降溫時(shí)間影響材料的最終性能，而本試驗(yàn)中保持架復(fù)合材料在該區(qū)間隨爐冷卻時(shí)需要0.5 h。針對(duì)聚苯酯添加量為20%的保持架復(fù)合材料，在已有燒結(jié)工藝基礎(chǔ)上，在結(jié)晶速率最大的區(qū)間保溫1 h，著重考察降溫階段所用時(shí)間對(duì)其性能的影響。

2.3.1 降溫時(shí)間對(duì)保持架拉伸強(qiáng)度的影響

降溫時(shí)間對(duì)保持架復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度的影響如圖3所示。從圖3可以看出，適當(dāng)延長(zhǎng)降溫時(shí)間，如1 h時(shí)，保持架復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度為22.7 MPa。 隨著降溫時(shí)間的進(jìn)一步延長(zhǎng)，拉伸強(qiáng)度迅速下降。這是由于降溫時(shí)間的適當(dāng)延長(zhǎng)和保溫，有利于更好地消除復(fù)合材料內(nèi)部應(yīng)力，使其拉伸強(qiáng)度有所提高。但是隨著降溫時(shí)間的進(jìn)一步延長(zhǎng)，復(fù)合材料的結(jié)晶度較高，從而導(dǎo)致其徑向拉伸強(qiáng)度下降[8]。

圖3 降溫時(shí)間對(duì)保持架復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度的影響

2.3.2 降溫時(shí)間對(duì)保持架硬度的影響

降溫時(shí)間對(duì)保持架復(fù)合材料硬度的影響如表3所示。從表3可以看出，隨著降溫時(shí)間的延長(zhǎng)，材料的硬度有所降低。其主要原因是：(1)延長(zhǎng)復(fù)合材料在高溫區(qū)的時(shí)間，導(dǎo)致樣品表面損失較多；(2)延長(zhǎng)降溫時(shí)間，保持架材料處于高溫的時(shí)間變長(zhǎng)，氧化作用更明顯。

表3 降溫時(shí)間對(duì)保持架復(fù)合材料硬度的影響

2.3.3 降溫時(shí)間對(duì)保持架復(fù)合材料摩擦性能的影響

降溫時(shí)間對(duì)保持架復(fù)合材料摩擦性能的影響如圖4所示。從圖4可以看出，延長(zhǎng)降溫時(shí)間，復(fù)合材料的摩擦系數(shù)有所降低，而磨損量出現(xiàn)最小值后迅速增加。降溫時(shí)間對(duì)保持架復(fù)合材料磨痕寬度的影響如表4所示。從表4可以看出，降溫時(shí)間為1 h時(shí)，磨痕寬度最小。降溫時(shí)間進(jìn)一步延長(zhǎng)時(shí)，磨痕寬度變大。結(jié)晶度的提高有利于材料摩擦系數(shù)的降低。硬度的降低和燒結(jié)時(shí)間的延長(zhǎng)致使保持架復(fù)合材料耐磨性變差，磨損量升高。

圖4 降溫時(shí)間對(duì)保持架復(fù)合材料摩擦性能的影響

表4 降溫時(shí)間對(duì)保持架磨痕寬度的影響

3 結(jié)論

(1)延長(zhǎng)降溫時(shí)間有助于消除保持架復(fù)合材料內(nèi)應(yīng)力和增加結(jié)晶度。降溫時(shí)間為1 h時(shí)，材料的拉伸強(qiáng)度為22.7 MPa，耐磨性較好，此時(shí)具有最好的綜合性能。

(2)聚苯酯可以有效地改善聚四氟乙烯的耐磨性，添加20%的聚苯酯，保持架復(fù)合材料的力學(xué)性能、摩擦磨損性能和經(jīng)濟(jì)效益比達(dá)到最佳。