魏 剛，魏莉嵐，謝 強(qiáng)，許榮霞，劉 燕

（西華大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，四川 成都 610039）

高端裝備如工程機(jī)械、商務(wù)和乘用車(chē)特別是新能源電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展，其曲軸或變速器輸入軸(如電動(dòng)汽車(chē)的輸入軸轉(zhuǎn)速高達(dá)10 000 r/min 以上)的轉(zhuǎn)速越來(lái)越高，對(duì)旋轉(zhuǎn)唇形油封的密封性能提出了更高要求，油封應(yīng)能承受高低溫、高線速度和高頻跳動(dòng)的苛刻工況。這相應(yīng)地需要旋轉(zhuǎn)軸密封唇片材料具有與金屬軸的接觸摩擦因數(shù)小、高耐磨和高回彈性能。

目前，旋轉(zhuǎn)軸唇形油封主要采用NBR 和FKM 橡膠制造，在乏油或干摩擦狀態(tài)下它們的摩擦因數(shù)大(NBR 的摩擦因數(shù)可達(dá)1.0，F(xiàn)KM 的摩擦因數(shù)可達(dá)0.85)，造成唇口的溫升劇烈而老化失效。此外，NBR 橡膠存在耐高溫性能及耐高速性能較差，在超過(guò)120 ℃或者旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速超過(guò)5 000 r/min時(shí)，油封唇口易老化變硬、變脆而失去彈性，泄漏情況比較嚴(yán)重。FKM 橡膠雖然耐高溫可達(dá)250 ℃左右，但在高速轉(zhuǎn)動(dòng)中油封唇口的磨損嚴(yán)重，也容易產(chǎn)生泄漏[1]。

聚四氟乙烯是一種高結(jié)晶性聚合物，具有耐高低溫、耐化學(xué)腐蝕、摩擦系數(shù)低等優(yōu)點(diǎn)，可耐受旋轉(zhuǎn)軸唇形密封的高溫高速苛刻工況，但純PTFE 的回彈性不夠和耐磨性差限制了其應(yīng)用。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)PTFE 摩擦磨損特性進(jìn)行了較多研究，主要的方法是在PTFE 內(nèi)填充纖維、金屬微粉、耐磨高分子、無(wú)機(jī)納米粒子和自潤(rùn)滑顆粒等進(jìn)行改性[2-9]。有關(guān)PTFE 作為密封材料的研究報(bào)道也主要集中在往復(fù)運(yùn)動(dòng)密封的抗蠕變和摩擦學(xué)性能方面[10-12]，很少涉及PTFE 作為旋轉(zhuǎn)軸密封唇片材料的回彈性和摩擦磨損特性研究[13]。

本文采用高速混合-冷壓成型-燒結(jié)-熱拉伸的工藝制備出玻璃纖維(GF)微粉及與MoS2自潤(rùn)滑顆粒復(fù)合填充PTFE 復(fù)合材料，重點(diǎn)考察了GF微粉及與MoS2復(fù)合對(duì)PTFE 復(fù)合材料的力學(xué)和摩擦磨損性能的影響，并借助掃描電子顯微鏡(SEM)觀察PTFE 復(fù)合材料的磨損表面，探討其磨損機(jī)理。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原材料

聚四氟乙烯粉末：牌號(hào)JF-4TM，浙江巨圣氟化工有限公司；二硫化鉬(MoS2)：400 目，上海膠體石墨廠；玻璃纖維：直徑10 μm，長(zhǎng)徑比為4∶1，市售；丙酮：分析純，成都金山化學(xué)試劑有限公司。

1.2 試樣制備

先將PTFE 粉料于電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱120 ℃干燥3 h，然后加入一定量的玻璃纖維微粉或二硫化鉬于高速混合機(jī)內(nèi)攪拌均勻，將混合料于平板硫化機(jī)上壓制成90 mm×10 mm×4(1.5)mm 的片材，然后將壓制好的片材放在燒結(jié)爐中燒結(jié)成型，燒結(jié)溫度為375 ℃，保溫3 h。試樣燒結(jié)結(jié)束后降溫到315 ℃進(jìn)行熱拉伸，最后水冷處理。

1.3 性能測(cè)試和表征

1.3.1 力學(xué)性能測(cè)試

將燒結(jié)熱拉伸后試樣夾持在CMT-6104 型拉力機(jī)上，拉伸速度20 mm/min。用游標(biāo)卡尺馬上測(cè)量試樣在其拉伸后的標(biāo)尺間距和試樣拉伸前后的標(biāo)尺間距。拉伸試樣重復(fù)5 次，結(jié)果取平均值?；貜椔视?jì)算公式如下：

式中：P 為拉伸前試樣的標(biāo)線間距，mm；M 為定伸拉伸試樣達(dá)到的標(biāo)線間距，mm；R 為拉伸后試樣的標(biāo)線間距，mm。

1.3.2 摩擦磨損測(cè)試

在室溫、干摩擦條件下，使用MM-200 型磨損試驗(yàn)機(jī)對(duì)PTFE 復(fù)合材料的摩擦磨損性能進(jìn)行測(cè)試。在每次試驗(yàn)前，將試樣及對(duì)偶表面用丙酮清洗干凈并在空氣中晾干。試驗(yàn)所選用的負(fù)荷為300 N，轉(zhuǎn)速200 r/min，磨損時(shí)間2 h。通過(guò)測(cè)量摩擦力矩，換算得到摩擦因數(shù)，摩擦因數(shù)取穩(wěn)定階段內(nèi)的平均值。磨損量以試驗(yàn)前后試樣的質(zhì)量差計(jì)，根據(jù)磨損量計(jì)算出體積磨損率。

1.3.3 掃描電子顯微鏡(SEM)觀察

把試樣的磨損表面用丙酮清洗，然后對(duì)表面進(jìn)行噴金處理后，在JSM-5900LV 型掃描電子顯微鏡上觀察其磨損面形貌。

2 結(jié)果與討論

2.1 GF 改性PTFE 復(fù)合材料的性能

2.1.1 力學(xué)性能

采用不同的玻璃纖維含量填充得到PTFE/GF復(fù)合材料，經(jīng)過(guò)干燥、混料和冷壓成型后，放入一定溫度下的燒結(jié)爐中燒結(jié)，然后在315 ℃下對(duì)試樣進(jìn)行定伸熱拉伸處理，最后采用水冷卻，其拉伸曲線如圖1 所示。從圖中可以看出，加入玻璃纖維進(jìn)行增強(qiáng)后試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線比純PTFE 更接近于橡膠態(tài)。拉伸曲線最接近橡膠態(tài)是質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%的玻璃纖維試樣；其次是GF 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%和5%的試樣；再次是GF 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的試樣，拉伸曲線找不到明顯的屈服點(diǎn)，沒(méi)有明顯的屈服現(xiàn)象。相反，純PTFE 試樣從應(yīng)力-應(yīng)變曲線上表現(xiàn)出明顯的拉伸屈服行為，反映在典型結(jié)晶型高聚物的拉伸曲線后段進(jìn)入了應(yīng)力-應(yīng)變曲線的永久形變區(qū)，即塑性變形。

純PTFE 的彈性行為較差，經(jīng)過(guò)定伸熱拉伸處理可以改善其拉伸彈性，但仍然低于加入玻璃纖維增強(qiáng)試樣的彈性性能。當(dāng)玻璃纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0～15%時(shí)，拉伸曲線隨著玻璃纖維的含量增大而逐漸接近于橡膠態(tài)，試樣的彈性得到改善。當(dāng)玻璃纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%時(shí)，其拉伸曲線又開(kāi)始遠(yuǎn)離橡膠態(tài)，這說(shuō)明加入過(guò)量的玻璃纖維使其彈性行為開(kāi)始惡化。

圖1 GF 含量對(duì)PTFE 應(yīng)力-應(yīng)變行為的影響

圖2 為不同玻璃纖維含量對(duì)試樣回彈率的影響。隨著GF 含量的增加，PTFE/GF 復(fù)合材料的回彈率呈現(xiàn)出先增大后減少的趨勢(shì)。當(dāng)GF 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%時(shí)，試樣的回彈率最大為92.5%，純PTFE試樣的回彈率最小為86.5%。從圖1 的應(yīng)力-應(yīng)變行為可以看出，GF 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0～15%的試樣，拉伸曲線隨著GF 含量的增加而逐漸接近于橡膠態(tài)，對(duì)應(yīng)的回彈率也隨著GF 含量的增加而逐漸增大。當(dāng)GF 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%時(shí)，過(guò)量的玻璃纖維使PTFE/GF 復(fù)合材料的彈性行為變差，導(dǎo)致試樣的回彈率下降到89%。

圖2 GF 含量對(duì)PTFE 回彈率的影響

2.1.2 摩擦磨損性能

不同GF 含量對(duì)PTFE/GF 試樣的摩擦磨損性能影響如圖3 所示。從圖中可以看出，隨著玻璃纖維含量的增加，PTFE/GF 復(fù)合材料的摩擦因數(shù)呈現(xiàn)出緩慢增大的趨勢(shì)。純PTFE 的干摩擦因數(shù)為0.21，其試樣因很快磨損而早期終止，故沒(méi)有計(jì)算其磨損率。玻璃纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%～20%試樣的摩擦因數(shù)逐漸從0.26 增大到0.325，體積磨損率則逐漸減小。當(dāng)玻璃纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%時(shí)，PTFE/GF 試樣的體積磨損率最大，為10.1×10-6mm3/(N·m)。當(dāng)玻璃纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到15%時(shí)，PTFE/GF 試樣的體積磨損率為1.8×10-6mm3/(N·m)。進(jìn)一步增加GF 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)到20%時(shí)，試樣的磨損率減小到1.3×10-6mm3/(N·m)?？梢?jiàn)，當(dāng)玻纖質(zhì)量分?jǐn)?shù)在20%范圍內(nèi)時(shí)，隨著玻纖含量的增加，PTFE/GF 試樣的摩擦因數(shù)逐漸增大，而磨損量則逐漸減小。如果再繼續(xù)增加GF 的含量，會(huì)導(dǎo)致PTFE/GF試樣的摩擦因數(shù)進(jìn)一步增大，加劇對(duì)偶金屬的磨損。

圖3 GF 含量對(duì)PTFE 摩擦磨損性能的影響

2.1.3 磨損機(jī)理分析

圖4 給出了不同含量玻璃纖維的PTFE/GF 復(fù)合材料的磨損面形貌。從圖4(a)中可以看出，純PTFE 因帶狀晶片與非晶相之間的結(jié)合力較弱，在外力作用下易產(chǎn)生滑移，使其摩擦因數(shù)較低。但摩擦過(guò)程中易被拉出結(jié)晶區(qū)而形成帶狀磨屑，耐磨性極差，表現(xiàn)為明顯的塑性變形和粘著磨損特征。當(dāng)加入5%玻璃纖維時(shí)，圖4(b)的磨損表面犁溝寬而深，磨損較嚴(yán)重，表現(xiàn)出明顯的磨粒磨損特征。繼續(xù)增加GF 的含量時(shí)，圖4(c)中PTFE/GF 試樣磨損表面的犁溝變窄，同時(shí)存在較大面積的平整光滑區(qū)域，磨粒磨損明顯減輕。當(dāng)GF 質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到15%時(shí)，圖4(d)中磨損表面的犁溝進(jìn)一步變窄，較多的玻璃纖維起到承載載荷的作用，復(fù)合材料的耐磨性進(jìn)一步得到提高，磨粒磨損進(jìn)一步減輕。當(dāng)GF 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%時(shí)，圖4(e)中試樣的磨損表面上可見(jiàn)許多玻璃纖維呈均勻的分布，磨損面平整光滑，未見(jiàn)明顯的犁溝，試樣在摩擦過(guò)程中的塑性變形、粘著磨損和磨粒磨損得到有效抑制。可見(jiàn)，適量玻璃纖維的加入明顯阻止了PTFE 帶狀晶片的滑移破壞，體積磨損率大大降低。與此同時(shí)，摩擦面上大量硬質(zhì)GF 顆粒的存在，也增大了試樣與對(duì)偶之間的摩擦因數(shù)。

2.2 MoS2 對(duì)PTFE/GF 復(fù)合材料性能的影響

2.2.1 力學(xué)性能

圖4 GF/PTFE 復(fù)合材料磨損表面SEM 照片

保持PTFE/GF 的配比為85/15，在此基礎(chǔ)上添加不同含量的MoS2時(shí)，PTFE/GF/MoS2試樣的定伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖5 所示。可以看出，二硫化鉬質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%和5%試樣的定伸應(yīng)力-應(yīng)變行為與未加入二硫化鉬試樣的拉伸行為比較接近，也比較接近于橡膠態(tài)。但當(dāng)MoS2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%和12%時(shí)，試樣的應(yīng)力-應(yīng)變行為明顯遠(yuǎn)離橡膠態(tài)，在應(yīng)變后期出現(xiàn)了明顯的屈服行為。由此可見(jiàn)，加入少量二硫化鉬的PTFE/GF/MoS2試樣在較小應(yīng)變時(shí)依然保持較好的橡膠態(tài)力學(xué)行為，而過(guò)量加入MoS2則會(huì)破壞試樣的拉伸彈性性能，表現(xiàn)出明顯的屈服變形特征。

圖5 PTFE/GF/MoS2 復(fù)合材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖6 為二硫化鉬含量對(duì)PTFE/GF 復(fù)合材料回彈性能的影響。從圖中可以看出，隨著二硫化鉬含量的增大，PTFE/GF/MoS2試樣的回彈率呈現(xiàn)出逐漸降低的趨勢(shì)。當(dāng)MoS2質(zhì)量分?jǐn)?shù)在5%以下時(shí)，與未添加MoS2試樣相比，PTFE/GF/MoS2試樣的回彈率略有下降，仍然保持在90%以上。進(jìn)一步增大MoS2含量時(shí)，復(fù)合材料試樣的回彈率出現(xiàn)明顯下降。當(dāng)MoS2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12%時(shí)，試樣的回彈率降到74%。結(jié)合圖5 的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線可以看出，當(dāng)MoS2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%時(shí)，試樣的拉伸彈性模量也出現(xiàn)明顯躍升，反映出試樣彈性變形阻力增大，彈性變差，這與此時(shí)試樣的回彈率出現(xiàn)明顯降低相一致。

2.2.2 摩擦磨損性能

圖6 MoS2 對(duì)PTFE/GF 復(fù)合材料回彈率的影響

圖7 所示為不同MoS2含量的PTFE/GF/MoS2試樣的摩擦磨損性能。從圖中可以看出，隨著MoS2含量的增加，PTFE/GF/MoS2復(fù)合材料的摩擦因數(shù)表現(xiàn)出逐漸增大的趨勢(shì)，從未添加MoS2試樣的0.29 增大到含12%MoS2試樣的0.35，體積磨損率則呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢(shì)。當(dāng)MoS2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%時(shí)，試樣的摩擦因數(shù)為0.31，體積磨損率為1.25×10-6mm3/(N·m)。當(dāng)MoS2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%時(shí)，試樣的體積磨損率最小，僅為0.48×10-6mm3/(N·m)。進(jìn)一步提高M(jìn)oS2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12%時(shí)，試樣的體積磨損率又開(kāi)始增大到0.82×10-6mm3/(N·m)。這表明過(guò)多的MoS2將導(dǎo)致PTFE/GF/MoS2試樣的耐磨性變差。

圖7 PTFE/GF/MoS2 復(fù)合材料的摩擦磨損性能

2.2.3 磨損機(jī)理分析

圖8 為PTFE/GF/MoS2復(fù)合材料磨損面的電子顯微鏡照片。從圖8(a)中可以看出，未加入MoS2時(shí)，對(duì)偶金屬在試樣表面滑動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生較大的刮擦作用，導(dǎo)致磨損表面平整光滑性差，存在明顯的犁溝痕跡，表現(xiàn)為典型的犁削和磨粒磨損特征。當(dāng)加入5%MoS2時(shí)，圖8(b)試樣受到對(duì)偶的刮擦作用減弱，磨損面變得光滑、平整，犁削造成的磨粒磨損消失，僅有少許的粘著磨損行為。當(dāng)MoS2質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)一步增加到8%時(shí)，圖8(c)所示PTFE/GF/MoS2試樣的磨損面更加平整光滑，摩擦過(guò)程中試樣僅受到非常輕微的粘著磨損，此時(shí)試樣的磨損率很小。如果MoS2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)繼續(xù)增加到12%(圖8(d))，此時(shí)試樣的磨損表面又開(kāi)始出現(xiàn)明顯的磨粒和溝槽，這可能與過(guò)多MoS2在摩擦過(guò)程中轉(zhuǎn)移到對(duì)偶金屬表面，這些MoS2粒子反過(guò)來(lái)對(duì)試樣表面產(chǎn)生磨粒磨削作用有關(guān)，從而加劇試樣的磨損。此外，與未添加MoS2試樣相比，MoS2在摩擦過(guò)程中易轉(zhuǎn)移到對(duì)偶金屬的表面形成轉(zhuǎn)移膜，摩擦界面間的磨粒磨損減少，磨粒的滾動(dòng)減摩作用消失，取而代之的是試樣與轉(zhuǎn)移膜之間的粘著摩擦。同時(shí)，在小載荷下摩擦界面的MoS2層間發(fā)生滑移較困難，而主要是形成轉(zhuǎn)移膜阻止試樣的犁削和磨粒磨損，這都使得試樣的摩擦因數(shù)隨著MoS2質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而有所增大。

3 結(jié)論

1)當(dāng)GF 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0～15%范圍內(nèi)，隨著GF 質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，試樣表現(xiàn)出較好的橡膠態(tài)彈性行為。但當(dāng)GF 質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到20%時(shí)，試樣的拉伸彈性行為變差。相應(yīng)地，PTFE/GF 試樣的回彈率也出現(xiàn)先增大后減少的趨勢(shì)。當(dāng)GF 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%時(shí)，試樣的回彈率最大，達(dá)到92.5%。隨著GF 質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，PTFE/GF 試樣的摩擦因數(shù)呈現(xiàn)出緩慢增大的趨勢(shì)，體積磨損率則逐漸減小。

2)以PTFE/GF 配比為85/15 作基體，當(dāng)MoS2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%時(shí)，PTFE/GF/MoS2試樣在較小應(yīng)變時(shí)保持較好的橡膠態(tài)力學(xué)行為，回彈率仍然保持在90%以上。但當(dāng)MoS2質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到8%以上時(shí)，試樣表現(xiàn)出明顯的屈服變形特征，回彈率大幅降低。隨著MoS2質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，PTFE/GF/MoS2試樣的摩擦因數(shù)呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢(shì)，從0.29 增大到0.35，體積磨損率則先減小后增大。當(dāng)MoS2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%時(shí)，試樣的體積磨損率達(dá)到最小，僅為0.48×10-6mm3/(N·m)。進(jìn)一步增加MoS2質(zhì)量分?jǐn)?shù)時(shí)，試樣的體積磨損率又開(kāi)始增大。

3)磨損面SEM 分析表明，純PTFE 表現(xiàn)為明顯的塑性變形和粘著磨損特征，PTFE/GF 試樣主要呈現(xiàn)出磨粒磨損特征，而塑性變形和粘著磨損得到有效抑制。適當(dāng)MoS2含量的PTFE/GF/MoS2試樣在摩擦過(guò)程中磨粒磨損特征消失，僅有非常輕微的粘著磨損行為。