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聚醚醚酮和納米二氧化硅改性聚四氟乙烯復(fù)合材料的摩擦學(xué)性能

2022-11-02 12:21:48盧國(guó)庫(kù)王宏剛彭一超
高分子材料科學(xué)與工程 2022年8期
關(guān)鍵詞:磨損率對(duì)偶摩擦系數(shù)

盧國(guó)庫(kù),龔 俊,高 貴,王宏剛,彭一超

(1.蘭州理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,甘肅 蘭州 730050;2. 中國(guó)科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所固體潤(rùn)滑國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,甘肅 蘭州 730000)

聚四氟乙烯(PTFE)以其優(yōu)異的耐高低溫性、化學(xué)穩(wěn)定性、低摩擦系數(shù)等特點(diǎn),被廣泛用作諸多領(lǐng)域的密封和潤(rùn)滑材料[1~3]。但由于其特殊的分子間結(jié)構(gòu)使其耐磨性較差,限制了其在摩擦部件上的使用[4]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者采用不同填料對(duì)PTFE 進(jìn)行填充改性以改善其摩擦學(xué)性能[5~10]。聚醚醚酮(PEEK)具有優(yōu)異的自潤(rùn)滑性、耐磨性和力學(xué)性能,以及熱穩(wěn)定性和化學(xué)惰性,因此常用于聚合物共混以增強(qiáng)復(fù)合材料的摩擦磨損性能[11]。碳纖維、玻璃纖維等添加劑可以將PTFE 的磨損率降低1 個(gè)或多個(gè)數(shù)量級(jí)[12~14]。近年來(lái),納米粒子作為添加劑改善PTFE的摩擦磨損性能引起了研究人員的關(guān)注。相比于其他填充改性材料,納米粒子具有大的比表面積等優(yōu)異性能,如納米SiO2可與高分子化合物的電子云發(fā)生重疊,形成空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),從而提高了高分子材料的力學(xué)強(qiáng)度、耐磨性及耐老化性[15]。少量納米顆粒填充到PTFE 基體中時(shí)就可以顯著提高PTFE復(fù)合材料的耐磨性,且保留了PTFE 自身的優(yōu)異性能[16,17]。部分研究人員將PEEK 和納米粒子混合填充到PTFE 中來(lái)研究其摩擦磨損[18~21],發(fā)現(xiàn)硬質(zhì)納米粒子和軟質(zhì)PEEK 可協(xié)同增強(qiáng)PTFE 復(fù)合材料的摩擦學(xué)性能。

試驗(yàn)以不同配比的PEEK 和納米SiO2為改性填料,通過(guò)機(jī)械共混、冷壓和燒結(jié)成型的方式制備了PTFE 復(fù)合材料。目前,國(guó)內(nèi)外研究中較少有結(jié)合對(duì)偶表面轉(zhuǎn)移膜厚度對(duì)復(fù)合材料摩擦磨損特性進(jìn)行分析的報(bào)道,本文研究了PEEK 和納米SiO2單獨(dú)填充及復(fù)配填充、磨損時(shí)間以及對(duì)偶表面粗糙度對(duì)PTFE 復(fù)合材料摩擦學(xué)性能的影響,從宏觀層面上分析了摩擦系數(shù)和體積磨損率的變化趨勢(shì),解釋了PEEK 和納米SiO2填充對(duì)提高復(fù)合材料耐磨性影響的原因,結(jié)合對(duì)偶表面上生成的轉(zhuǎn)移膜及其形貌、厚度、元素分布等,從微觀角度揭示了復(fù)合材料的摩擦磨損機(jī)理,為研制性能優(yōu)異的PTFE 復(fù)合材料提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

PTFE:牌號(hào)POLYFLON PTFE M-18F,平均粒徑20~50μm,表觀密度0.2 0.5 g/mL,日本大金株式會(huì)社生產(chǎn);PEEK:牌號(hào)Victrex PEEK 450 PF,密度1.3 g/cm3,英國(guó)威格斯有限公司生產(chǎn);納米SiO2:牌號(hào)XF103,平均粒徑20 nm,比表面積145 160 m2/g,南京先豐納米材料科技有限公司生產(chǎn)。

1.2 樣品制備

將原料按照Tab.1 所示的比例進(jìn)行配制,將配制好的物料手動(dòng)攪拌均勻后,采用高速混合機(jī)在2000 r/min 的轉(zhuǎn)速下混合2 min,手動(dòng)翻攪后重復(fù)變速混合3 遍,用45 mesh 分樣篩對(duì)混合物進(jìn)行篩分,去除混料過(guò)程中擠壓形成的大顆粒;靜置24 h 后將混合均勻的粉末裝至模具中,采用冷壓成型設(shè)備壓制成型,壓力50 MPa、保壓2 min,卸除壓力后脫模,去除樣品毛邊;靜置24 h 后燒結(jié)成型,燒結(jié)程序如Fig.1所示。

Fig.1 Sintering procedure

Tab.1 Material prescription

1.3 測(cè)試與表征

1.3.1 摩擦磨損性能測(cè)試:在LSR-2M 型往復(fù)摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行摩擦磨損試驗(yàn),摩擦副接觸示意圖如Fig.2 所示。栓試樣尺寸為?6 mm×20 mm。對(duì)偶盤(pán)材質(zhì)為304 不銹鋼,尺寸為?50 mm×5 mm,表面粗糙度Ra為0.01~0.07μm。試驗(yàn)在室溫環(huán)境進(jìn)行,載荷170 N(6 MPa),往復(fù)速度0.113 m/s,往復(fù)行程17 mm,試驗(yàn)時(shí)間1 h,每組試驗(yàn)重復(fù)3 次,試驗(yàn)結(jié)果取平均值。試驗(yàn)前后試樣表面用丙酮超聲清洗并烘干,用分析天平(精度10-5g)稱(chēng)量并記錄。摩擦系數(shù)由試驗(yàn)機(jī)軟件直接采集,平均磨損率由式(1)計(jì)算

Fig.2 Schematic diagram of friction pair

式中:W——體積磨損率,mm3/(N·m);m1——磨損前的質(zhì)量,g;m2——磨損后的質(zhì)量,g;ρ——試樣密度,g/mm3;F——法向載荷,N;LS——總滑動(dòng)距離,m。

1.3.2 形貌表征:采用美國(guó)FEI 公司Quanta 650FEG掃描電鏡(SEM)表征對(duì)偶表面轉(zhuǎn)移膜及磨痕的形貌,并對(duì)其進(jìn)行X 射線(xiàn)光電子能譜分析(EDS)。采用美國(guó)KLA-Tencor 公司MicroXAM-800 非接觸式白光干涉3D 輪廓儀表征對(duì)偶表面轉(zhuǎn)移膜及磨痕的二維/三維形貌。

2 結(jié)果與討論

2.1 PEEK 含量對(duì)復(fù)合材料摩擦磨損性能的影響

Fig.3 顯示了PEEK 含量對(duì)復(fù)合材料摩擦學(xué)性能的影響。由Fig.3(a)可以看出,PEEK 的加入顯著降低了復(fù)合材料的摩擦系數(shù),復(fù)合材料的摩擦系數(shù)能夠在較短時(shí)間內(nèi)到達(dá)相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài),純PTFE 的摩擦系數(shù)波動(dòng)很大。A4 和A5 試樣的摩擦系數(shù)較穩(wěn)定,隨著磨損時(shí)間延長(zhǎng),摩擦系數(shù)略有下降趨勢(shì)。由Fig.3(b)可以看出,經(jīng)過(guò)1 h 的磨損,純PTFE 的體積磨損率最高,達(dá)到了755.5×10-6mm3/(N·m),這是因?yàn)镻TFE 特殊的C—F 分子鏈結(jié)構(gòu),在受到外力作用時(shí)容易出現(xiàn)碳鏈的斷裂和層間滑移,從而導(dǎo)致了較差的耐磨性[20]。此外,純PTFE 的平均摩擦系數(shù)也是最高的,達(dá)到了0.22。添加PEEK 后,隨著PEEK含量的增加,復(fù)合材料的平均摩擦系數(shù)先減小后增大,當(dāng)PEEK 的含量為15%時(shí),平均摩擦系數(shù)最小,僅為0.18。此后,隨著PEEK 含量的增加,摩擦接觸面上暴露了更多的PEEK 顆粒,使得復(fù)合材料的平均摩擦系數(shù)呈現(xiàn)出上升趨勢(shì)。相較于純PTFE,添加PEEK 后,復(fù)合材料的體積磨損率大幅度下降。當(dāng)添加PEEK 的含量為20%時(shí),復(fù)合材料的體積磨損率僅為2.6×10-6mm3/(N·m)。這是因?yàn)镻EEK 的力學(xué)性能優(yōu)于PTFE,在復(fù)合材料中PEEK 顆粒起到了支撐作用,承擔(dān)了大部分的外部載荷,從而抑制了PTFE 碳鏈的斷裂及層間滑移,使得復(fù)合材料的耐磨性得到了顯著的提升[22]。

Fig.3 Effect of PEEK content on friction and wear properties of PTFE composites

2.2 納米SiO2 含量對(duì)復(fù)合材料摩擦磨損性能的影響

Fig.4 顯示了納米SiO2含量對(duì)PTFE 復(fù)合材料摩擦學(xué)性能的影響。由Fig.4(a)可以看出,添加納米SiO2后,硬質(zhì)納米粒子在摩擦界面聚集使得摩擦初始階段復(fù)合材料的摩擦系數(shù)增大,但在短時(shí)間內(nèi)摩擦系數(shù)減小并進(jìn)入相對(duì)穩(wěn)定階段。這是由于硬質(zhì)納米粒子對(duì)磨屑具有切割作用,磨屑尺寸減小后易于黏附在對(duì)偶表面上,提高了轉(zhuǎn)移膜的成膜速率,在摩擦過(guò)程中很快地形成了轉(zhuǎn)移膜[22]。由Fig.4(b)可以看出,添加納米SiO2后,隨著納米SiO2含量的增加,復(fù)合材料的平均摩擦系數(shù)先減小后增大,當(dāng)添加納米SiO2的含量為5%時(shí),平均摩擦系數(shù)最小,為0.19。此后,隨著納米SiO2含量的增加,復(fù)合材料的平均摩擦系數(shù)上升,可見(jiàn)過(guò)量的硬質(zhì)納米粒子增大了對(duì)偶表面微凸體與硬質(zhì)顆粒的相互作用力,導(dǎo)致摩擦系數(shù)上升。添加納米SiO2后,復(fù)合材料的體積磨損率下降明顯,這是因?yàn)樘砑拥挠操|(zhì)納米粒子在復(fù)合材料基體中起到了支撐作用,提高了復(fù)合材料的承載能力,使復(fù)合材料的剛性增加,減小了復(fù)合材料在外力作用下的形變量,有效提高了復(fù)合材料抗塑性形變能力,從而降低了PTFE 復(fù)合材料的磨損率[23]。當(dāng)添加納米SiO2含量為7%時(shí),復(fù)合材料的體積磨損率為560.2×10-6mm3/(N·m),其減磨效果較PEEK 差。

Fig.4 Effect of nano-SiO2 content on friction and wear properties of PTFE composites

2.3 2 種填料復(fù)配對(duì)PTFE 摩擦磨損性能的影響

Fig.5 顯示了以15%PEEK-PTFE 為基體,復(fù)合材料的摩擦系數(shù)和體積磨損率隨納米SiO2含量變化的曲線(xiàn)。對(duì)比Fig.3(a)和Fig.4(a)可以發(fā)現(xiàn),F(xiàn)ig.5(a)所示摩擦系數(shù)曲線(xiàn)的變化趨勢(shì)一定程度上是單獨(dú)添加PEEK 和納米SiO2復(fù)合材料摩擦系數(shù)變化趨勢(shì)的疊加,整體上呈現(xiàn)了先增大后減小的變化趨勢(shì)。在摩擦初始階段,納米SiO2填充改性15%PEEKPTFE 復(fù)合材料的摩擦系數(shù)小于納米SiO2-PTFE 復(fù)合材料的摩擦系數(shù),可見(jiàn)此階段復(fù)合材料的摩擦系數(shù)主要取決于軟質(zhì)的PEEK 填料。由Fig.5(b)可以看出,在15%PEEK-PTFE 復(fù)合材料中添加納米SiO2后,隨著納米SiO2含量的增加,復(fù)合材料的摩擦系數(shù)先減小后增大,當(dāng)添加納米SiO2含量為3%時(shí),平均摩擦系數(shù)最小,為0.21。當(dāng)添加納米SiO2含量為1%時(shí),復(fù)合材料的體積磨損率最小,為5.3×10-6mm3/(N·m)。綜合Fig.3,F(xiàn)ig.4 和Fig.5 所示結(jié)果可以看出,單獨(dú)填充PEEK、納米SiO2或二者復(fù)配均可改善PTFE復(fù)合材料的摩擦磨損性能。Tab.2 可以看出,平均摩擦系數(shù)依次為A4<A7<A11<PTFE、體積磨損率依次為A4<A11<A7<PTFE。A11 復(fù)合材料的平均摩擦系數(shù)大于A7 復(fù)合材料的平均摩擦系數(shù),體積磨損率較A7 復(fù)合材料的體積磨損率大幅度降低。這可能是因?yàn)檐涃|(zhì)的PEEK 對(duì)硬質(zhì)納米粒子起到了包裹作用,復(fù)合材料產(chǎn)生的磨屑不能在短時(shí)間內(nèi)被切割成為小尺寸磨屑,因此不能很快地黏附在對(duì)偶表面,降低了前期的成膜效率,導(dǎo)致摩擦系數(shù)增大。但填充PEEK 后消除了PTFE 基體的亞表面的不穩(wěn)定性[24],有助于在摩擦穩(wěn)定階段形成均勻、穩(wěn)定的轉(zhuǎn)移膜,從而大幅度提高了耐磨性。A11 復(fù)合材料的平均摩擦系數(shù)和平均磨損率均大于A4 復(fù)合材料的平均摩擦系數(shù)和平均磨損率,表明對(duì)偶表面光滑時(shí),經(jīng)過(guò)1 h 磨損,PEEK 單獨(dú)填充PTFE 復(fù)合材料擁有更優(yōu)異的摩擦磨損性能。

Tab.2 Mean friction coefficient and volume wear rate of the composite materials

Fig.6 是PTFE 復(fù)合材料經(jīng)過(guò)1h 磨損后對(duì)偶表面的轉(zhuǎn)移膜及磨痕的微觀形貌。Fig.6(a)顯示出,純PTFE 無(wú)法有效轉(zhuǎn)移至對(duì)偶表面,轉(zhuǎn)移膜的覆蓋率很低,這就使得PTFE 材料始終和對(duì)偶表面直接摩擦,因此純PTFE 的耐磨性很差。Fig.6(b)顯示出A4 復(fù)合材料在對(duì)偶表面上生成了均勻、致密的轉(zhuǎn)移膜,使得摩擦副接觸形式由聚合物-金屬轉(zhuǎn)變?yōu)榫酆衔?聚合物。極大地降低了PTFE 復(fù)合材料的磨損率。Fig.6(c)顯示出,A7 復(fù)合材料在對(duì)偶表面產(chǎn)生的轉(zhuǎn)移膜較厚,且分布不均勻,在硬質(zhì)納米粒子的往復(fù)摩擦作用下,轉(zhuǎn)移膜上出現(xiàn)了明顯的犁溝。Fig.6(d)顯示出,A11 復(fù)合材料在對(duì)偶表面上生成了均勻、致密且光滑的轉(zhuǎn)移膜。Fig.7(a)和Fig.7(b)是A4和A11 試樣在對(duì)偶表面的轉(zhuǎn)移膜三維形貌,利用3D輪廓儀表征對(duì)偶表面轉(zhuǎn)移膜時(shí),測(cè)量寬度達(dá)7.23 mm、磨痕寬度為6 mm 左右,盤(pán)試樣摩擦表面有1.23 mm 左右裸露在外,以其為基面,轉(zhuǎn)移膜表面最高處到基面的距離即為轉(zhuǎn)移膜厚度。從圖中可以發(fā)現(xiàn),A11 復(fù)合材料在對(duì)偶表面形成的轉(zhuǎn)移膜較A4復(fù)合材料形成的轉(zhuǎn)移膜表面更光滑。從Fig.7(c)轉(zhuǎn)移膜二維形貌可以清晰地看出,A4 試樣轉(zhuǎn)移膜的厚度為0.64μm,A11 試樣轉(zhuǎn)移膜的厚度為1.23μm,這是因?yàn)榧{米SiO2與對(duì)偶表面微凸體的機(jī)械互鎖作用促進(jìn)了磨屑沉積效率。

Fig.6 Transfer film and wear scar morphology of PTFE composite on the counterpart surface (wear after 1 h)

Fig.7 Three dimensional morphology of transfer film of the A4 and A11composite materials (wear after 1 h)

2.4 不同磨損時(shí)間下復(fù)合材料的摩擦磨損性能

對(duì)A4 和A11 試樣分別進(jìn)行5h 的摩擦磨損實(shí)驗(yàn)。Fig.8(a)顯示出,隨著磨損時(shí)間的延長(zhǎng),A4 和A11 試樣的體積磨損率均降低,經(jīng)過(guò)5 h(滑動(dòng)距離2034 m)的磨損,A4 試樣的體積磨損率為2.7×10-6mm3/(N· m),相較于1h 的體積磨損率降低了44.9%,A11 試樣的體積磨損率為4.3×10-6mm3/(N·m),相較于1 h 的體積磨損率降低了37.7%,A4 試樣的體積磨損率降低幅度較大。Fig.8(b)可以看出,經(jīng)過(guò)5 h 的磨損,2 種試樣的平均摩擦系數(shù)均上升。A4 試樣的平均摩擦系數(shù)小于A11 試樣的,但從摩擦系數(shù)變化趨勢(shì)可知,相較于A4 試樣,A11 試樣的摩擦系數(shù)隨磨損時(shí)間的延長(zhǎng)呈下降趨勢(shì)。A11 試樣在50 min 之前摩擦系數(shù)有一個(gè)明顯的波動(dòng),可能是填料從基體中脫落,游離在摩擦界面,增大了摩擦系數(shù)[25]。A11 試樣的摩擦系數(shù)能夠很快到達(dá)穩(wěn)定階段,這是因?yàn)榧{米粒子和環(huán)境中的水汽在摩擦應(yīng)力作用下會(huì)催化摩擦化學(xué)過(guò)程,從而導(dǎo)致羧酸基(—COOH)的形成,羧酸基與對(duì)偶金屬表面發(fā)生反應(yīng)形成羧酸螯合物,最終形成了轉(zhuǎn)移膜[26]。Fig.8(c)顯示是經(jīng)過(guò)1 h 和5h 磨損后的A11 試樣在對(duì)偶表面生成轉(zhuǎn)移膜上的元素分布。對(duì)偶盤(pán)的主要成分是Fe,而F 和Si 是A11 試樣的主要成分,對(duì)偶面轉(zhuǎn)移膜上F 和Si 的存在證明了轉(zhuǎn)移膜就是從聚合物復(fù)合材料上轉(zhuǎn)移而來(lái)。隨著磨損時(shí)間的延長(zhǎng),轉(zhuǎn)移膜上Fe的含量降低,C 和Si 元素含量增加,說(shuō)明生成的轉(zhuǎn)移膜更加均勻、致密且連續(xù)[27]。

Fig.8 Effect of wear time on friction and wear properties of the composites

Fig.9(a)和Fig.9(b)顯示出,經(jīng)過(guò)5 h 的磨損實(shí)驗(yàn),A4 和A11 試樣在對(duì)偶表面上生成的轉(zhuǎn)移膜在部分區(qū)域出現(xiàn)了不同程度的剝離現(xiàn)象,這說(shuō)明轉(zhuǎn)移膜的生成是一個(gè)不斷交替的過(guò)程,已經(jīng)生成的轉(zhuǎn)移膜也會(huì)因?yàn)闃悠返哪Σ炼a(chǎn)生局部的剝離,新的磨屑填充在剝離處形成新的轉(zhuǎn)移膜[28]。A4 試樣的轉(zhuǎn)移膜剝離程度更為嚴(yán)重,導(dǎo)致轉(zhuǎn)移膜的覆蓋率降低,所以A4 試樣的摩擦系數(shù)隨著磨損時(shí)間的增大而增大。A11 試樣在對(duì)偶表面的轉(zhuǎn)移膜只有少量剝離,這是因?yàn)锳11 試樣中的納米SiO2作為硬質(zhì)相能夠嵌入對(duì)偶表面的粗糙峰中,對(duì)轉(zhuǎn)移膜起到了機(jī)械錨固作用,增加了轉(zhuǎn)移膜的黏附強(qiáng)度[22],使得轉(zhuǎn)移膜沒(méi)有出現(xiàn)大面積剝離。Fig.10(a)和Fig.10(b)顯示了A4、A11 試樣經(jīng)過(guò)5h 磨損在對(duì)偶表面形成的轉(zhuǎn)移膜的三維形貌。可以看出,A11 復(fù)合材料在對(duì)偶表面形成的轉(zhuǎn)移膜較A4 復(fù)合材料形成的轉(zhuǎn)移膜表面更光滑。經(jīng)過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)移膜二維輪廓測(cè)量,從Fig.10(c)可以看出,A4 試樣形成的轉(zhuǎn)移膜比A11 試樣形成的轉(zhuǎn)移膜薄,A4 試樣的轉(zhuǎn)移膜厚度為0.44μm、A11 試樣的轉(zhuǎn)移膜厚度為1.21μm,對(duì)比Fig.7(c),2 種復(fù)合材料的轉(zhuǎn)移膜厚度均減小,而2 種復(fù)合材料的體積磨損率也大幅度降低,這說(shuō)明薄且均勻連續(xù)的轉(zhuǎn)移膜更有利于減小復(fù)合材料的耐磨[29]。

Fig.9 Transfer film and wear scar morphology of PTFE composite on the counterpart surface(wear after 5 h)

Fig.10 Three dimensional morphology of transfer film of A4 and A11 (wear after 5 h)

2.5 對(duì)偶表面粗糙度對(duì)復(fù)合材料摩擦學(xué)性能的影響

選擇Ra0.5 的對(duì)偶表面對(duì)A4 和A11 試樣進(jìn)行5 h的摩擦磨損試驗(yàn)。從Fig.11(a)可以看出,增大對(duì)偶表面粗糙度后,A4 試樣的體積磨損率上升到原來(lái)的2.9 倍,A11 試樣的體積磨損率上升到原來(lái)的8.7倍。體積磨損率相較光滑對(duì)偶表面增大,這是因?yàn)榇植诙鹊脑黾邮沟媒饘俦砻姘纪狗甯用黠@,峰高的增加促進(jìn)了聚合物復(fù)合材料中初級(jí)材料的去除,且過(guò)度粗糙度會(huì)破壞轉(zhuǎn)移膜的穩(wěn)定性并降低耐磨性[30]。由Fig.11(b)顯示出,A4 試樣的摩擦系數(shù)隨時(shí)間的變化呈現(xiàn)出上升趨勢(shì),A11 試樣的摩擦系數(shù)波動(dòng)很小。對(duì)比Tab.2 可以看出,增大對(duì)偶表面粗糙度后,2 種試樣的摩擦系數(shù)均減小,說(shuō)明了并非越光滑的表面摩擦學(xué)性能越好。這可能是對(duì)偶金屬面的粗糙峰易于碎屑的截留,從而形成較厚的轉(zhuǎn)移膜,較厚的轉(zhuǎn)移膜有助于摩擦系數(shù)的減小,但增大了磨損率。Fig.12(a)可以看出,A4 試樣在對(duì)偶表面上沒(méi)有形成覆蓋率高的轉(zhuǎn)移膜,對(duì)偶表面清晰可見(jiàn)。Fig.12(b)可以看出,A11 試樣在對(duì)偶面上形成了覆蓋率較高的轉(zhuǎn)移膜,這也是造成粗糙表面上A11 材料磨損率短時(shí)間內(nèi)增大的原因。隨著試驗(yàn)的繼續(xù)覆蓋率較高的轉(zhuǎn)移膜將減小材料的磨損。由此可見(jiàn),納米SiO2與對(duì)偶表面的機(jī)械互鎖作用有利于促進(jìn)復(fù)合材料在粗糙對(duì)偶表面上形成轉(zhuǎn)移膜。

Fig.11 Effect of counterpart surface roughness on friction and wear properties of composites (wear after 5 h)

Fig.12 Transfer film and wear scar morphology of PTFE composite on the counterpart surface (wear after 5 h)

3 結(jié)論

(1)單獨(dú)填充PEEK 和納米SiO2均能改善PTFE的摩擦磨損性能,PEEK 的減磨效果優(yōu)于納米SiO2的減摩效果,20%PEEK-PTFE 復(fù)合材料擁有最小的體積磨損率,僅為2.6×10-6mm3/(N· m),15%PEEKPTFE 復(fù)合材料摩擦系數(shù)僅為0.18。

(2)PEEK 和納米SiO2復(fù)配填充可協(xié)同改善復(fù)合材料的摩擦磨損性能,使得復(fù)合材料的摩擦系數(shù)很快達(dá)到穩(wěn)定階段。

(3)復(fù)合材料15%PEEK-PTFE 和3%納米SiO2-15%PEEK-PTFE 經(jīng)過(guò)5 h 磨損后,體積磨損率均下降,對(duì)比摩擦1h 后的轉(zhuǎn)移膜厚度,2 種復(fù)合材料在對(duì)偶表面生成的轉(zhuǎn)移膜均變薄,表明較薄的摩擦轉(zhuǎn)移膜更穩(wěn)定,有利于降低復(fù)合材料的磨損。3%納米SiO2-15%PEEK-PTFE 復(fù)合材料在對(duì)偶表面生成的轉(zhuǎn)移膜更均勻,說(shuō)明納米SiO2更有利于在對(duì)偶表面生成均勻且致密的轉(zhuǎn)移膜。

(4)對(duì)偶表面粗糙度對(duì)復(fù)合材料的摩擦學(xué)性能有顯著的影響,較粗糙的對(duì)偶表面上,納米SiO2有利于促進(jìn)轉(zhuǎn)移膜的形成,并使得轉(zhuǎn)移膜表面更加光滑。

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