填料对聚合物基复合材料摩擦和磨损性能的影响

填料对聚合物基复合材料摩擦和磨损性能的影响尚丽娟\孙爱芹1，2，张劲松2（1.沈阳工业大学材料科学与工程学院，辽宁沈阳中国科学院金属研究所，辽宁沈阳110016）种影响因素的作用机理。提出了改善聚合物基复合材料摩擦学性能应注意的问题，对研究、开发、应用性能优异的聚合物基复合材料具有指导作用。近年来聚合物基复合材料引起了人们的广泛关注。目前作为摩擦材料使用的聚合物基复合材料研究较多的是纤维增强型，然而增强材料和聚合物基体所呈现的摩擦性能有时不能满足作为摩擦材料的使用要求，还需要填加各种摩擦性能调节剂来弥补其不足。研究纤维增强体和摩擦性能调节剂对聚合物基复合材料摩擦学行为的影响及其作用机理，对提高聚合物基复合材料的摩擦学性能，推动聚合物基复合材料的研究、应用和发展，有十分重要的意义。本文从增强材料、固体润滑剂和无机填料三个方面分别讨论它们对材料摩擦学性能的影响及其作用机理。1增强纤维通常认为，在聚合物中加入填料可以提高基体的硬度及压缩强度，降低其在摩擦过程中与对偶件的粘着，从而改善材料的摩擦和磨损性能。增强体的作用是改善聚合物的抗蠕变性能和提高压缩强度，使复合材料具有优异的力学性能。纤维具有很高的强度、刚度及良好的导热性，在摩擦材料中不仅对基体起增强作用，同时还与其它成分一起在摩擦界面上承受摩擦力的作用，因此，可改善聚合物的摩擦磨损特性，提高其机械性能和使用寿命。1.1纤维种类增强纤维的种类不同，对聚合物摩擦学性能的影响程度就不同；同一种纤维增强不同的聚合物，其改善复合材料摩擦学性能的程度也不同，这主要是由于纤维自身特性及纤维与聚合物基体的结合情况不同所致。目前，用于聚合物改性的纤维有碳纤维、玻璃纤维和有机纤维，另外还有铜纤维和钢纤维等，但研究较多的是前两种。张招柱等>3研究了碳纤维和玻璃纤维增强聚四氟乙烯（PTFE）复合材料的摩擦磨损性能，发现碳纤维增强PTFE复合材料的摩擦性能较好，而玻璃纤维增强PTFE复合材料的耐磨性较好。这些纤维不仅阻止了PTFE带状结构的大面积破坏，而且具有一定的承载作用，从而大大降低了PTFE复合材料的磨损等研究了碳纤维和玻璃纤维增强聚醚砜（PES）复合材料的磨损性能，发现40%碳纤维增强PES复合材料的耐粘着磨损性能较好，而填加18%玻璃纤维和2%MoS2复合材料的耐磨粒磨损性能较好等通过研究Aramid纤维、碳纤维和玻璃纤维增强聚酰胺66在无润滑、滚动摩擦条件下的摩擦磨损性能，发现添加碳纤维和玻璃纤维都能显著降低复合材料的摩擦系数，而Aramid纤维的作用并不明显。1.2纤维含量纤维作为聚合物基复合材料中的分散相，其含量的多少影响着复合材料的微观结构，从而影响材料的摩擦学性能。一般认为，复合材料中增强纤维的含量存在一个适宜范围，当纤维含量过低时，纤维因拉伸或剪切而断裂，增强效果并不明显；而纤维含量过高，纤维磨损断裂的碎片以及纤维从基体中脱离增多，破坏了复合材料和偶件之间形成的转移膜，促进磨损等16在研究不同含量的Kevlar纤维增强聚苯硫醚（PPS）复合材料的摩擦性能时，发现添加Kevlar纤维使复合材料的摩擦系数增加，耐磨性提高。分析认为：当复合材料与工具钢对摩时，由于纤维的加入，摩尚丽娟等：填料对聚合物基复合材料摩擦和磨损性能的影响擦热增加，导致磨损表面的温度升高，从而引起PPS的降解和氧化，生成FeS和FeS4等化合物，这些化合物增强了转移膜和对摩副之间的结合力，因而提高了复合材料的耐磨性。当纤维的体积分数为30%时，对偶件表面形成了连续、均匀的转移膜，复合材料的体积磨损量较低等在研究Aramad纤维增强酚醒树脂的摩擦性能时认为，当纤维含量为10%时，复合材料的摩擦稳定性得到了显著提高。纤维取向不同，磨损机理不同。如所示，当纤维取向与滑动摩擦方向垂直时，由于纤维与基体界面存在剪切应力，导致纤维与基体分离，基体剪切破坏和纤维伸长，主要是滑动磨损；当纤维取向与滑动摩擦方向反平行时，基体剪切，拉伸/压缩方式，纤维/基体分离，纤维伸长以及纤维断裂对复合材料的磨损起主要作用等通过分析计算纤维取向对单向连续纤维增强聚合物基复合材料滑动摩擦接触1.3纤维取向等利用有限元法对聚合物基复合材料的滑动摩擦进行了研究，结果表明，增强应力分布的影响，得出的结论是：较大接触压力和较小接触宽度出现在正交于纤维取向的平面内纤维取向对单向复合材料磨损机理的影响示意图（转移膜层）2固体润滑剂3其它填料为改善聚合物的摩擦学性能，人们将固体润滑剂与聚合物复合，在摩擦过程中润滑剂逐渐转移进入摩擦界面起润滑作用，降低摩擦系数，提高耐磨性。常用的固体润滑剂包括石墨、二硫化钼和聚四氟乙烯等。贾均红等研究了含有石墨、MoS2、PTFE三种固体润滑剂的碳纤维增强聚酰胺复合材料的摩擦性能，结果显示：在干摩擦条件下，各种固体润滑剂的加入均使复合材料的摩擦系数降低，但石墨的减摩效果较好；在水润滑条件下，复合材料的摩擦系数和磨损率都有不同程度的降低，其中填充PTFE的复合材料的耐磨性较佳。张招柱等系统研究了金属硫化物及石墨填充的PTFE复合材料在干摩擦条件下与GCr15轴承钢对磨时的摩擦磨损性能，结果表明，添加石墨降低了PTFE的摩擦系数，而添及PbS则增大了摩擦系数；同时，添及石墨均可将PTFE的磨损量降低2个数量级，其中PbS的减磨效果填料的特性对聚合物基复合材料宏观摩擦学性能的影响很大，填料的加入会不同程度地改善聚合物的摩擦学性能，在聚合物基复合材料摩擦学行为研究中，填料的应用一直是聚合物摩擦学研究的热点。3.1普通无机粉末曲建俊等112分别研究了氧化铜和硅灰石两种无机填料对双马来酰亚胺（BMI）的滑动摩擦磨损性能的影响，结果表明：加入两种填料都可以改善BMI的摩擦学性能，但硅灰石的效果较好。随着硅灰石含量增加和粒径减少，滑动副的耐磨性提高，摩擦系数降低，当用量超过50 %后，影响差异变小；随着氧化铜含量增加，滑动副的摩擦系数和耐磨性均增加，但用量超过25%以后，增加缓慢等研究了添的聚苯硫醚（PPS）复合材料的摩擦学行为，发现在静态压力和滑动接触条件下，Ag2S和CuS均发生塑性分解，复合材料的磨损表面比较光滑，只有很少的裂缝，磨损率很低；而添加较为明显，而lMo的减磨（效果较差和tousf的复合料eire2和/\没分ci.net解，复合材料磨损表面明显粗糙不平，并有较深的裂缝，磨损率较大。分析认为：填料能否发生塑性分解以及与基体的结合好坏决定着填料能否改善PPS的滑动摩擦性能。32纳米无机填料纳米材料具有良好的塑性、韧性及极高的强度，填加到聚合物材料中，与基体之间存在强界面力，只有当纳米填料在聚合物基体中均匀分散时，增强聚合物基复合材料才会具有优异的摩擦学性能等人研究了纳米ZnO填充PTFE的摩擦磨损性能，结果表明：纳米ZnO/PTFE复合材料的摩擦性能与纯PTFE的相似，而耐磨性却比纯PTFE的高得多，纳米ZnO的较佳含量为15%左右。研究者认为纳米ZnO的添加改变了PTFE的微观结构，在摩擦过程中阻止了PTFE带状结构的破坏，从而有效降低了PTFE的粘着磨损。分析电镜照片发现，与添加15 %纳米ZnO的PTFE复合材料对磨的偶件表面有转移膜形成。石墨混合填充PTFE复合材料的摩擦磨损性能，发现复合材料的耐磨性均得到了提高，其中以纳米SiO-石墨填充PTFE复合材料的磨损失重较小，因为纳米SiO-石墨材料对PTFE的硬度提高较多，在载荷作用下受犁切作用的塑性变形较小，于是该复合材料表现出较好的耐磨性等研究了纳米TiO2添加环氧树脂的摩擦学行为，发现复合材料的摩擦磨损性能对纳米TiO2分散性非常敏感，复合材料的微观结构均匀性提高，耐磨性就显著提高。人们已认识到，界面是具有一定厚度的过渡相，界面层的厚度取决于聚合物基体的内聚能、填料与聚合物的表面自由能以及聚合物分子链的柔韧性等多种因素。聚合物基复合材料的界面特性是决定材料摩擦学特性的内在因素，也是近年来聚合物材料摩擦学基础研究的热点。聚合物同填料之间存在着化学或作用力，而聚合物填料相互作用的存在是填料改性聚合物复合材料的基本前提。填料在聚合物基复合材料摩擦过程中还具有承载作用，软质填料可以进一步提高聚合物材料的耐磨性。HanSW与在充分考虑负荷应力分布、耐磨填料的富集以及填料的优先承载问题后，明确了硬质填料具有承载能力。在聚合物基复合材料的摩擦过程中，由于摩擦热引起的接触表面局部高温以及摩擦力的机械剪切作用，填料之间以及填料与对偶或聚合物基体之间会发生摩擦化学作用，从而影响聚合物转移膜的附着力及成膜质量，在宏观上表现为对复合材料摩擦学性能的影响23.聚合物基体不同，在摩擦界面上生成的摩擦层结构和化学成分也不同，摩擦层的特性决定着复合材料的摩擦学性能。4结束语影响聚合物基复合材料摩擦学性能的因素非常复杂，在改善聚合物材料摩擦学性能的研究中应该综合考虑各种影响因素的作用。对于一种特定复合材料体系，建立合理的计算模型，通过计算机模拟、优化材料各组分，并通过实验验证，才能较终获得满足使用要求的性能优异的复合材料。聚合物基体、填料和摩擦对偶组成的摩擦复合体系中各组元之间相互影响、相互制约的关系有待于进一步深入探索，尤其是利用先进的实验检测方法分析研究摩擦表面发生的物理、化学变化及其微观形貌更值得重视。