孫 魏, 劉小君, 劉 焜, 葉家鑫

(合肥工業(yè)大學(xué) 摩擦學(xué)研究所, 安徽 合肥 230009)

聚四氟乙烯(Polytetrafluoroethylene, PTFE)以其良好的自潤(rùn)滑性和優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性而著稱，是理想的固體潤(rùn)滑材料[1].但是純PTFE的承載強(qiáng)度低，這使其在一般摩擦過(guò)程中表現(xiàn)出較高的磨損率，嚴(yán)重限制其應(yīng)用范圍[2].因此PTFE常常和許多材料共混以保留其優(yōu)異摩擦特性的同時(shí)提高其耐磨性能.早期的研究認(rèn)為，使用納米尺寸顆粒作為填料并不能有效抑制PTFE復(fù)合材料亞表面裂紋的生成和表面裂紋擴(kuò)展，因此不能顯著提高復(fù)合材料的耐磨性能[3-4].然而，Burris等[5]卻發(fā)現(xiàn)使用少量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)約1%)納米氧化鋁(Al2O3)顆粒作為填料可以使PTFE的磨損率降低約4個(gè)數(shù)量級(jí)[1×10-7mm3/(N·m)]，這一顯著的減磨效果立刻引起摩擦學(xué)領(lǐng)域的關(guān)注[6-7].

相比較使用其他的納米填料(如二氧化鈦和銅粉)，納米氧化鋁顆粒的添加不僅改善了聚合物的機(jī)械性能，同時(shí)還能在摩擦界面促進(jìn)生成高度羧酸鹽化的轉(zhuǎn)移膜[8-9].Alam等[10]發(fā)現(xiàn)，在失去轉(zhuǎn)移膜的保護(hù)后，Al2O3/PTFE納米復(fù)合材料的磨損率提高了約100倍[5×10-5mm3/(N·m)].Harris等[11]認(rèn)為這一高度羧酸鹽化的轉(zhuǎn)移膜來(lái)源于PTFE的斷鏈和一系列涉及環(huán)境水氧參與的摩擦化學(xué)反應(yīng).Onodera等[12-13]通過(guò)密度泛函計(jì)算發(fā)現(xiàn)金屬氧化物表面的路易斯酸位點(diǎn)可以使PTFE分子末鏈脫氟，這在一定程度上促進(jìn)了高分子鏈的降解和羧酸基團(tuán)中間產(chǎn)物的生成.迄今為止，研究人員對(duì)Al2O3/PTFE低磨損體系進(jìn)行了諸多機(jī)理研究，但這些機(jī)理往往只針對(duì)這一材料，并不具備普適性的研究?jī)r(jià)值.

為了探究這一摩擦化學(xué)的成膜和減磨機(jī)理能否用于開(kāi)發(fā)其他自潤(rùn)滑材料，使用與氧化鋁路易斯酸性相近的氮化鋁陶瓷顆粒(AlN)[14]作為填料制備了氮化鋁/聚四氟乙烯(AlN/PTFE)復(fù)合材料進(jìn)行摩擦學(xué)機(jī)理研究.分別在大氣環(huán)境和干燥氬氣環(huán)境中，使用線性往復(fù)摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)研究了納米氮化鋁對(duì)聚四氟乙烯復(fù)合材料摩擦學(xué)性能的影響，探究轉(zhuǎn)移膜的摩擦化學(xué)形成過(guò)程和減磨機(jī)理，為設(shè)計(jì)高性能自潤(rùn)滑復(fù)合材料提供研究思路.

1 試驗(yàn)部分

1.1 材料及制備

納米氮化鋁顆粒，貨號(hào)A800789，購(gòu)于上海麥克林生化科技有限公司，商家報(bào)道的平均粒徑為50 nm，采用Zeta電位粒度分析儀(Zetasizer Nano ZS90，Malvern Instruments)測(cè)試其粒徑為138±30 nm，納米顆粒的掃描電子顯微鏡(SEM)照片如圖1(a)所示.聚四氟乙烯粉末平均粒徑約40 μm，原產(chǎn)于杜邦公司，牌號(hào)Teflon PTFE 7C，購(gòu)自東莞市豪圣塑膠原料有限公司.無(wú)水乙醇，乙醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)為99.5%，購(gòu)于上海麥克林生化科技有限公司，貨號(hào)E809056.

制備AlN/PTFE復(fù)合材料：首先將納米氮化鋁粉末按質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%、2%、5%和10%分別加入到6 g聚四氟乙烯粉末中，然后將混合物粉末加入到30 ml無(wú)水乙醇中，使用500 W超聲棒分散并磁力攪拌15 min.將混合均勻的懸濁液放入真空干燥箱中干燥12 h，隨后采用100 MPa的壓力將干燥混合好的粉體壓入直徑為10 mm、高度為30 mm的模具中.隨后將含有樣品的模具放入管式爐中，在流動(dòng)氮?dú)獗Ｗo(hù)下，以120 ℃/h的升溫速率加熱至380 ℃，保溫4 h后自然冷卻至室溫.將制備好的復(fù)合材料切片并用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察其形貌并用能譜儀(EDS)測(cè)試Al元素分布，納米氮化鋁填料在聚合物基體中的分散程度可以在圖1(b)中Al元素分布圖中觀測(cè).在摩擦磨損測(cè)試之前，采用數(shù)控銑床將燒結(jié)成型的納米復(fù)合材料進(jìn)一步加工成尺寸為6.2 mm×6.2 mm×15 mm的測(cè)試樣品，并使用排水法測(cè)試聚四氟乙烯及其復(fù)合材料樣品的密度ρ(g/mm3).

Fig.1 (a) SEM micrograph of AlN nanoparticles；(b) Distribution mapping of Al in cross-section of the AlN/PTFE nanocomposite；(c) Tribometer housed inside a dry Ar atmosphere glove box with its schematic diagram of linear reciprocating on the right圖1 (a)納米氮化鋁顆粒形貌的SEM照片；(b)AlN/PTFE納米復(fù)合材料橫截面鋁元素的元素分布圖；(c)安裝在干燥氬氣手套箱內(nèi)的線性往復(fù)摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)及其運(yùn)動(dòng)示意圖

1.2 測(cè)試與表征

利用定制的線性往復(fù)摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)[15-16]對(duì)所制備聚四氟乙烯及其復(fù)合材料進(jìn)行摩擦學(xué)性能研究.摩擦副為柱-盤(pán)接觸，PTFE或復(fù)合材料樣品為6.2 mm×6.2 mm×15 mm的聚四氟乙烯及其復(fù)合材料樣品，下試盤(pán)為50.0 mm×30.0 mm×3.0 mm的304不銹鋼.大氣環(huán)境下的測(cè)試條件設(shè)定為溫度25 ℃，濕度40% RH.干燥氬氣(Ar)環(huán)境下的測(cè)試在手套箱內(nèi)進(jìn)行，箱體內(nèi)部溫度為25 ℃，水汽和氧的質(zhì)量濃度均低于百萬(wàn)分之一，如圖1(c)所示.兩種環(huán)境下的摩擦試驗(yàn)條件均為加載力250 N、接觸壓力6.5 MPa，往復(fù)磨損距離25 mm，速度50 mm/s.摩擦試驗(yàn)在進(jìn)行至指定周期后中斷，稱量樣品質(zhì)量并恢復(fù)樣品安裝并繼續(xù)試驗(yàn)，計(jì)算得出兩次稱量期間摩擦試驗(yàn)導(dǎo)致的復(fù)合材料試樣的質(zhì)量損失mloss(g)，采用公式k=mloss/(ρ×FN×d)計(jì)算微分磨損率k，單位mm3/(N·m)，其中FN為垂直運(yùn)動(dòng)方向的加載力(N)，d為兩次稱量間的滑動(dòng)距離(m).試驗(yàn)結(jié)束后，利用三維輪廓儀(Keyence VK-X100)觀測(cè)金屬對(duì)偶表面形成的轉(zhuǎn)移膜形貌.為了探究摩擦機(jī)理，用掃描電子顯微鏡(SEM，Gemini 500)、紅外光譜儀(FT-IR，Thermo Nicolet 6 700)和X射線光電子能譜(XPS，ESCALAB 250X)對(duì)轉(zhuǎn)移膜的化學(xué)組成進(jìn)行分析.

2 結(jié)果與討論

2.1 摩擦學(xué)性能分析

納米AlN填料質(zhì)量分?jǐn)?shù)和測(cè)試環(huán)境中水氧對(duì)AlN/PTFE復(fù)合材料的摩擦學(xué)性能影響如圖2所示，在大氣環(huán)境中測(cè)試時(shí)，聚四氟乙烯的磨損十分嚴(yán)重，前1 km的摩擦測(cè)試中磨損體積為71.1 mm3.聚四氟乙烯中添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的AlN后，復(fù)合材料的耐磨性能有所提升，在前1 km的摩擦測(cè)試中磨損體積僅為16.0 mm3，當(dāng)填料質(zhì)量分?jǐn)?shù)增至2%以上時(shí)，復(fù)合材料的磨損體積幾乎不隨滑動(dòng)距離的增加而增大，表現(xiàn)出了優(yōu)異的耐磨性能.圖2(b)中磨損率的計(jì)算結(jié)果顯示，在大氣環(huán)境中AlN質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的AlN/PTFE復(fù)合材料的磨損率k隨著滑動(dòng)距離的增加而逐漸降低，最終穩(wěn)定在1.4×10-7mm3/(N·m)附近，而在干燥的氬氣中，AlN/PTFE復(fù)合材料的磨損率在整個(gè)摩擦試驗(yàn)過(guò)程中始終維持在1.6×10-5mm3/(N·m)左右，說(shuō)明AlN/PTFE復(fù)合材料在干燥氬氣中長(zhǎng)周期的耐磨性能不及在大氣環(huán)境中.

Fig.2 (a) Wear volumes plotted against sliding distance and (b) wear rates plotted against sliding distance of PTFE and AlN/PTFE composites圖2 聚四氟乙烯及其復(fù)合材料(a)磨損體積隨滑動(dòng)距離的變化和(b)磨損率隨滑動(dòng)距離的變化

圖3給出了兩種氣氛環(huán)境下AlN/PTFE復(fù)合材料摩擦系數(shù)隨滑動(dòng)距離的變化曲線，在大氣環(huán)境0～1 km的摩擦磨損測(cè)試中，AlN/PTFE復(fù)合材料的摩擦系數(shù)出現(xiàn)了明顯的波動(dòng)，在1.6 km之后穩(wěn)定于0.22左右.這說(shuō)明在試驗(yàn)的跑合階段(0～1 km)，摩擦界面的轉(zhuǎn)移膜形成和破裂不斷地交替進(jìn)行，這導(dǎo)致了界面摩擦狀態(tài)的不穩(wěn)定.在干燥氬氣環(huán)境下，AlN/PTFE復(fù)合材料摩擦系數(shù)從初始階段的0.15穩(wěn)定且快速增長(zhǎng)，在滑動(dòng)距離為0.2 km時(shí)增至0.19，在之后的摩擦測(cè)試中始終穩(wěn)定在0.19左右.以往的研究發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)移膜的性質(zhì)對(duì)PTFE固體潤(rùn)滑系統(tǒng)的實(shí)際摩擦學(xué)性能有顯著的影響，兩種不同的摩擦系數(shù)變化曲線說(shuō)明AlN/PTFE在兩種氣氛環(huán)境下形成了性質(zhì)不同的轉(zhuǎn)移膜[8].

2.2 轉(zhuǎn)移膜形貌分析

圖4(a)分別給出了兩種氣氛環(huán)境下5%的AlN/PTFE復(fù)合材料磨損表面和金屬摩擦副表面的圖片.原始的AlN/PTFE復(fù)合材料是淺灰色的塊狀固體，在大氣環(huán)境中摩擦試驗(yàn)15 km后，其磨損表面和金屬對(duì)偶面上的轉(zhuǎn)移膜呈棕黃色；而在干燥氬氣環(huán)境下，復(fù)合材料磨損表面和金屬對(duì)偶面上的轉(zhuǎn)移膜則呈現(xiàn)黑色，這說(shuō)明在兩種氣氛環(huán)境下復(fù)合材料在摩擦過(guò)程中有著不同的摩擦化學(xué)機(jī)理.為了避免形貌測(cè)試對(duì)轉(zhuǎn)移膜產(chǎn)生破壞，進(jìn)一步使用激光顯微共聚焦顯微鏡表征了金屬對(duì)偶面上轉(zhuǎn)移膜的微觀形態(tài)并展示了磨痕中央的掃描輪廓線，如圖4(b)所示.AlN/PTFE復(fù)合材料在大氣環(huán)境下形成的轉(zhuǎn)移膜厚度大約1 μm，且較為均勻和連續(xù).而在干燥氬氣環(huán)境下，金屬對(duì)偶面并沒(méi)有明顯的轉(zhuǎn)移膜覆蓋，甚至出現(xiàn)部分溝槽.這說(shuō)明在干燥氬氣環(huán)境中試驗(yàn)時(shí)，金屬對(duì)偶面上沒(méi)有形成一定厚度的轉(zhuǎn)移膜，這使得聚合物表面更容易被金屬表面的粗糙峰磨損，另一方面聚合物表面的填料聚集也對(duì)金屬表面產(chǎn)生了一定程度的黏著磨損.

Fig.3 Evolutions of friction coefficients with sliding distance of AlN/PTFE in humid air and dry Ar圖3 質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%的AlN/PTFE的摩擦系數(shù)隨滑動(dòng)距離增加的變化情況

2.3 轉(zhuǎn)移膜化學(xué)組成分析

對(duì)圖4(a)中兩種氣氛環(huán)境中形成的AlN/PTFE轉(zhuǎn)移膜以及未磨損的AlN/PTFE復(fù)合材料表面進(jìn)行傅里葉紅外光譜表征，結(jié)果如圖5所示.譜圖顯示在不同環(huán)境下形成的轉(zhuǎn)移膜在化學(xué)組成上有明顯的不同，試驗(yàn)前AlN/PTFE復(fù)合材料表面和干燥氬氣環(huán)境中形成的轉(zhuǎn)移膜的主要成分為碳氟高分子，位于1 143和1 202 cm-1的峰分別對(duì)應(yīng)CF2中的C-F對(duì)稱伸縮和不對(duì)稱伸縮振動(dòng).而在大氣環(huán)境中產(chǎn)生的轉(zhuǎn)移膜則具有明顯的極性官能團(tuán)，位于1 438和1 672 cm-1的峰分別對(duì)應(yīng)羧酸鐵鹽中C=O橋接鍵的對(duì)稱伸縮以及C=O的不對(duì)稱伸縮振動(dòng)；位于3 330 cm-1附近的寬峰對(duì)應(yīng)于羥基中O-H的拉伸振動(dòng)，這可能由于AlN在摩擦界面聚集并吸附環(huán)境水所致.值得注意的是，大氣環(huán)境下形成的轉(zhuǎn)移膜的紅外光譜中還出現(xiàn)了小分子碳氟短鏈的峰，位于1 315和1 360 cm-1處，這說(shuō)明大氣環(huán)境下AlN/PTFE復(fù)合材料在摩擦試驗(yàn)中發(fā)生了明顯的摩擦化學(xué)變化，產(chǎn)生了分子量小且具備極性基團(tuán)(羰基、羥基)的轉(zhuǎn)移膜.

Fig.4 (a) Polymer wear surfaces and transfer films of AlN/PTFE nanocomposites formed in humid air and dry Ar; (b) Height profiles of two counterfaces with different transfer films圖4 (a) AlN/PTFE納米復(fù)合材料在大氣環(huán)境和干燥氬氣下的磨損表面和形成的轉(zhuǎn)移膜圖片；(b)兩種轉(zhuǎn)移膜覆蓋的對(duì)偶的輪廓曲線

Fig.5 FT-IR spectra of AlN/PTFE composite surface and transfer films formed in humid air and dry Ar, respectively圖5 AlN復(fù)合材料的表面以及在大氣環(huán)境和干燥氬氣中形成的轉(zhuǎn)移膜的紅外光譜

圖6(a)和(b)展示了AlN質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的AlN/PTFE復(fù)合材料未磨損表面、磨損表面及金屬對(duì)偶面轉(zhuǎn)移膜的C1s精細(xì)譜.圖6(a)中C1s精細(xì)譜顯示大氣環(huán)境中復(fù)合材料磨損表面和轉(zhuǎn)移膜中均出現(xiàn)了明顯的C=O結(jié)合峰(289.0 eV)，同時(shí)，C-F共價(jià)鍵峰(292.1 eV)也向低鍵能方向遷移，C-C峰(284.8 eV)明顯增強(qiáng)，這說(shuō)明PTFE骨架發(fā)生了脫氟或部分降解.相比之下，圖6(b)中C1s精細(xì)譜說(shuō)明干燥氬氣環(huán)境下形成的復(fù)合材料磨損表面和轉(zhuǎn)移膜的主要成分仍為PTFE長(zhǎng)鏈，這與之前的紅外光譜檢測(cè)結(jié)果一致.

通過(guò)對(duì)金屬對(duì)偶面上的轉(zhuǎn)移膜進(jìn)行SEM和EDS元素分析，圖7(a)中SEM照片顯示在大氣環(huán)境下，AlN/PTFE復(fù)合材料形成的轉(zhuǎn)移膜在金屬表面呈島嶼狀分布.EDS元素結(jié)果顯示，大氣環(huán)境下形成的轉(zhuǎn)移膜的氧元素分布和SEM照片中顯示的轉(zhuǎn)移膜的區(qū)域分布一致，這說(shuō)明大氣環(huán)境中生成的轉(zhuǎn)移膜含有豐富的羰基官能團(tuán).圖7(b)展示了干燥氬氣下金屬對(duì)偶面形成轉(zhuǎn)移膜的SEM圖和EDS元素分析結(jié)果，SEM照片顯示AlN/PTFE復(fù)合材料在干燥氬氣下形成的轉(zhuǎn)移膜并沒(méi)有呈現(xiàn)出島嶼狀分布，EDS元素分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)不銹鋼表面僅覆蓋大量的氟元素，沒(méi)有明顯的氧元素富集，這說(shuō)明干燥氬氣下形成的轉(zhuǎn)移膜主要成分為碳氟分子吸附層或金屬氟化物.

2.4 羧酸鹽化轉(zhuǎn)移膜形成機(jī)理

PTFE復(fù)合材料在摩擦過(guò)程中形成的轉(zhuǎn)移膜極大地影響著界面摩擦學(xué)行為，圖4(a)和(b)中展現(xiàn)出兩種氣氛環(huán)境下，AlN/PTFE復(fù)合材料形成了兩種不同的轉(zhuǎn)移膜.在大氣環(huán)境下， AlN質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的AlN/PTFE復(fù)合材料在摩擦過(guò)程中首先出現(xiàn)黑色磨屑和不連續(xù)的轉(zhuǎn)移膜，隨著滑動(dòng)距離增加，磨屑逐漸變細(xì)且數(shù)量減少，最終磨損表面的磨屑呈棕黃色并在金屬對(duì)偶面上形成均勻連續(xù)的轉(zhuǎn)移膜.在羧酸鹽化轉(zhuǎn)移膜形成階段(初始1 km)，復(fù)合材料的摩擦系數(shù)也不斷地發(fā)生變化(圖3)，當(dāng)微分磨損率穩(wěn)定在1×10-7mm3/(N·m)后，轉(zhuǎn)移膜形態(tài)和摩擦系數(shù)均達(dá)到穩(wěn)定.干燥氬氣下測(cè)試的AlN/PTFE復(fù)合材料在整個(gè)摩擦測(cè)試期間始終產(chǎn)生的是黑色的磨屑，其微分磨損率、摩擦系數(shù)和轉(zhuǎn)移膜形態(tài)也在短暫跑合后(初始200 m)達(dá)到穩(wěn)定.說(shuō)明AlN/PTFE復(fù)合材料在不同環(huán)境下形成的轉(zhuǎn)移膜的性質(zhì)與其摩擦磨損性能具有強(qiáng)相關(guān)性.

Fig.6 XPS spectra of C1s in bulk surface, worn surface, and transfer film of AlN/PTFE nanocomposite formed in (a) humid air and (b) dry Ar, respectively圖6 AlN/PTFE納米復(fù)合材料分別在(a)大氣環(huán)境和(b)干燥氬氣中原始表面、磨損表面和轉(zhuǎn)移膜XPS的C1s精細(xì)譜

Fig.7 SEM micrographs and element maps of the steel counterfaces under (a) humid air condition and (b) dry Ar condition, respectively圖7 (a)大氣環(huán)境和(b)干燥氬氣條件下金屬對(duì)偶件磨損表面形貌的SEM照片和EDS元素分布圖

在2.2和2.3節(jié)對(duì)兩種轉(zhuǎn)移膜的形貌和化學(xué)組成進(jìn)行分析之后發(fā)現(xiàn)：大氣環(huán)境下比干燥氬氣下形成的轉(zhuǎn)移膜具有更大的厚度和更多的極性官能團(tuán)，這有利于提高轉(zhuǎn)移膜的韌性從而保護(hù)復(fù)合材料表面免受劇烈的黏著磨損；大氣環(huán)境下形成的轉(zhuǎn)移膜主要成分是摩擦化學(xué)產(chǎn)生的羧酸化的PTFE，摩擦界面產(chǎn)生的羧酸官能團(tuán)進(jìn)一步與金屬表面螯合，促進(jìn)轉(zhuǎn)移膜在不銹鋼表面的粘附，這有助于AlN/PTFE復(fù)合材料在大氣環(huán)境下形成保護(hù)性的轉(zhuǎn)移膜.羧酸鹽化轉(zhuǎn)移膜的形成與大氣中存在的水氧密切相關(guān)，在水氧缺失的干燥氬氣環(huán)境中無(wú)法形成羧酸鹽化轉(zhuǎn)移膜.

在上個(gè)世紀(jì)，我國(guó)宮德利和薛群基等[2,17]已經(jīng)系統(tǒng)研究和報(bào)道過(guò)純PTFE及其復(fù)合材料與金屬表面相對(duì)摩擦過(guò)程中的摩擦化學(xué)行為.自上世紀(jì)90年代起，研究者普遍認(rèn)識(shí)到摩擦化學(xué)影響PTFE復(fù)合材料的摩擦學(xué)行為[17-18].最近十年，研究者開(kāi)始深度關(guān)注力化學(xué)誘導(dǎo)的PTFE脫氟和降解行為在納米復(fù)合材料轉(zhuǎn)移膜形成和摩擦磨損中的重要影響作用[16,19].Bhargava等[19]發(fā)現(xiàn)一系列碳材料(包括碳納米管、石墨烯和納米碳粉)可以顯著降低PTFE磨損，同時(shí)伴隨著在磨損界面生成羧酸鹽，而中等程度和嚴(yán)重磨損的表面并不能產(chǎn)生羧酸鹽.Sun等[20]使用第一性原理計(jì)算發(fā)現(xiàn)這一羧酸鹽摩擦膜的形成與納米填料表面的催化特性有關(guān)，納米陶瓷表面的路易斯酸性位點(diǎn)可以促進(jìn)PTFE發(fā)生脫氟和降解反應(yīng).Campbell和Sawae等[20]通過(guò)環(huán)境控制試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在大氣環(huán)境下低磨損的PTFE/聚醚醚酮、PTFE/納米氧化鋁和PTFE/碳纖維復(fù)合材料在缺乏水的環(huán)境下均無(wú)法在摩擦界面產(chǎn)生羧酸鹽化轉(zhuǎn)移膜，并伴隨著磨損率提升.Alam等[10]發(fā)現(xiàn)，在中等磨損程度的PEEK/PTFE復(fù)合材料中增加痕量的(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.01%)納米氧化鋁顆?？梢灶~外提升復(fù)合材料的耐磨性能(約10倍).這些研究發(fā)現(xiàn)都說(shuō)明了納米填料的使用對(duì)PTFE基復(fù)合材料的摩擦化學(xué)行為以及抗磨性能的提升具有重要影響.

基于過(guò)去的研究和本文中的試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)AlN/PTFE復(fù)合材料在大氣中的轉(zhuǎn)移膜形成機(jī)理有如下假設(shè)：

a.在跑合階段初期(200 m)，聚合物基體中納米顆粒的團(tuán)聚體在摩擦界面受到壓迫和剪切進(jìn)一步破碎或分散，并暴露出較大的填料-聚合物基體接觸界面，如圖8(a)所示；

b.陶瓷填料表面在摩擦熱作用下脫去表面羥基，暴露出大量路易酸性位點(diǎn)，從而催化PTFE分子脫氟并產(chǎn)生不飽和碳原子，這些鏈內(nèi)不飽和碳原子被環(huán)境中氧氣氧化，進(jìn)一步被環(huán)境水加成后形成羧酸基團(tuán)，如圖8(b)所示；

c.羧酸化的PTFE具有一定的極性，促使了聚合物分子與金屬對(duì)偶面的螯合反應(yīng)，這一摩擦化學(xué)導(dǎo)致的螯合增加了轉(zhuǎn)移膜對(duì)金屬對(duì)偶面的粘附，使轉(zhuǎn)移膜結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，如圖8(c)所示.

3 結(jié)論

a.大氣環(huán)境下，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的AlN/PTFE復(fù)合材料在金屬對(duì)偶面上形成了羧酸鹽化的轉(zhuǎn)移膜，并實(shí)現(xiàn)比PTFE低4個(gè)數(shù)量級(jí)的磨損率[10-7mm3/(N·m)].而在干燥氬氣環(huán)境下，AlN/PTFE復(fù)合材料沒(méi)有在金屬對(duì)偶面上形成羧酸鹽化的轉(zhuǎn)移膜，僅實(shí)現(xiàn)比PTFE低2個(gè)數(shù)量級(jí)的磨損率[10-5mm3/(N·m)].

b.在大氣環(huán)境中摩擦學(xué)測(cè)試的初始階段，AlN/PTFE復(fù)合材料磨損率隨著測(cè)試的滑動(dòng)距離增加逐漸降低，在進(jìn)行了15 km的滑動(dòng)測(cè)試后，金屬對(duì)偶面上形成厚度約為1 μm的羧酸鹽化轉(zhuǎn)移膜.而在干燥氬氣下的摩擦學(xué)測(cè)試中，AlN/PTFE復(fù)合材料的金屬對(duì)偶面并沒(méi)有形成微米級(jí)厚度的轉(zhuǎn)移膜覆蓋，其磨損率和摩擦系數(shù)始終沒(méi)有發(fā)生明顯改變.

c.在摩擦力激活下，PTFE分子會(huì)與納米AlN發(fā)生摩擦化學(xué)反應(yīng)，主要發(fā)生了PTFE的脫氟和降解反應(yīng).在發(fā)生摩擦化學(xué)反應(yīng)后，PTFE分子與大氣環(huán)境中的氧氣和水汽發(fā)生了氧化反應(yīng)和水合反應(yīng)，導(dǎo)致了極性鍵C=O的生成，這提升了界面轉(zhuǎn)移膜的內(nèi)聚力，進(jìn)一步保護(hù)了復(fù)合材料磨損表面并降低磨損率.而在缺乏水汽和氧氣的干燥氬氣中，PTFE分子無(wú)法產(chǎn)生大量的極性鍵C=O，因此無(wú)法通過(guò)形成羧酸鹽化轉(zhuǎn)移膜降低磨損，這一摩擦化學(xué)機(jī)制解釋了AlN/PTFE復(fù)合材料在兩種環(huán)境氣氛下摩擦學(xué)性能的差異.

Fig.8 Formation mechanism of carboxylated transfer film of AlN/PTFE nanocomposite圖8 AlN/PTFE納米復(fù)合材料的羧酸鹽化轉(zhuǎn)移膜的形成機(jī)理