聚四氟乙烯/聚苯酯耐磨自潤滑保持架材料的研究

孫小波，李建星，時連衛，王子君

(洛陽軸研科技股份有限公司，河南 洛陽 471039)

聚四氟乙烯(PTFE)具有很低的摩擦系數，在摩擦過程中，能在很短的時間內在對偶面形成轉移膜，對摩擦副起潤滑作用，是優良的軸承自潤滑保持架材料。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，使其應用受到限制[1]。為了克服這些缺點，通常添加填料對其進行改性。采用無機、金屬及金屬氧化物和納米粒子填料改性時，材料強度和耐磨性有所提高，但仍存在著一些缺點，如與PTFE基體之間的相容性較差，在基體中出現明顯界面，且不易分散均勻和易損傷對磨件等[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，具有優良的自潤滑性和耐磨性，PV極限值高，耐輻射，耐有機溶劑，可以與PTFE在很大的比例范圍共混冷壓后燒結成型，克服PTFE的蠕變性和聚苯酯的脆性[3]。

本例以聚苯酯為增強劑，制備出耐磨損及自潤滑的聚四氟乙烯/聚苯酯軸承保持架復合材料?？疾炝司郾锦ヌ砑恿亢蜔Y工藝中降溫速率對復合材料力學性能和摩擦、磨損性能的影響。

1 試驗

1.1 復合材料的制備

取適量的聚苯酯和聚四氟乙烯在高速組織破碎機中充分攪拌混合，經過篩、烘干并冷壓成型?；旌狭蠎F配現用，若兩天內未壓制，用前須于150 ℃復烘2 h并過篩后使用[1]。

1.2 性能測試

采用DNS20型電子微控萬能試驗機測試保持架復合材料的徑向拉伸強度，拉伸速度為10 mm/min。TMK-0型摩擦磨損試驗機測試保持架復合材料的摩擦磨損性能，測試條件為：載荷7.42 N，干摩擦，時間30 min，轉速1 000 r/min。硬度采用V-SD型邵氏硬度計測試。

2 結果與討論

2.1 聚苯酯含量對聚四氟乙烯基保持架復合材料力學性能的影響

2.1.1 對拉伸強度的影響

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

圖1 聚苯酯含量對復合材料拉伸強度的影響

2.1.2 對硬度的影響

聚苯酯含量對保持架復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，本身硬度遠大于聚四氟乙烯的硬度，兩者共混后，保持架復合材料剛性增加，硬度變大。

表1 聚苯酯含量對保持架復合材料硬度的影響

2.2 聚苯酯含量對聚四氟乙烯基復合材料摩擦性能的影響

圖2為聚苯酯含量對聚四氟乙烯基復合材料摩擦、磨損性能的影響。圖2表明，隨著聚苯酯含量的增加，復合材料的摩擦系數逐漸增加，但磨損量急劇降低。聚苯酯添加量達到20%后，隨著添加量的增加，保持架復合材料磨損量的下降趨勢變緩；添加40%的聚苯酯時，復合材料的耐磨性約提高兩個數量級。

圖2 聚苯酯含量對復合材料摩擦性能的影響

由于聚苯酯的摩擦系數比PTFE大，所以隨著聚苯酯含量的增加，復合材料的摩擦系數也隨之增大。復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構，阻止PTFE大分子的帶狀撕離，保護PTFE 基體不易磨損[6]；(2)PTFE很軟，對摩擦界面顆粒有很好的嵌埋相容性，添加聚苯酯后導致硬度提高，改善了材料的耐磨性能，復合材料的磨痕寬度也變小，如表2所示。

表2 聚苯酯含量對保持架復合材料磨痕寬度的影響

聚苯酯含量大于20%時，保持架復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，復合材料脆性增加，對顆粒固定能力降低，在磨損過程中聚苯酯脫落數量增加，并作為磨粒參與磨損[7]；另一方面基體中聚苯酯的增加，會使材料摩擦系數增大，導致磨損過程中產生大量的摩擦熱，增加變形，從而又導致摩擦接觸面和摩擦系數增加，結果摩擦熱更多，對復合材料的磨損也起到了加速的作用[6]。

綜合考慮保持架復合材料的力學性能、摩擦磨損性能和經濟效益比，聚苯酯的添加量最佳為20%。

2.3 燒結工藝對保持架性能的影響

燒結工藝對保持架材料性能的影響至關重要，降溫階段所用時間對材料結晶度、硬度、強度和磨損性能有重要影響[8]。本案重點考察降溫所用時間對保持架性能的影響。在降溫階段應控制降溫所用時間，使材料溫度到達結晶速率最大的溫度區間(315～320 ℃)后保溫一段時間，以便聚合物的非晶相充分結晶[9]。該溫度區間的降溫時間影響材料的最終性能，而本試驗中保持架復合材料在該區間隨爐冷卻時需要0.5 h。針對聚苯酯添加量為20%的保持架復合材料，在已有燒結工藝基礎上，在結晶速率最大的區間保溫1 h，著重考察降溫階段所用時間對其性能的影響。

2.3.1 降溫時間對保持架拉伸強度的影響

降溫時間對保持架復合材料拉伸強度的影響如圖3所示。從圖3可以看出，適當延長降溫時間，如1 h時，保持架復合材料的拉伸強度為22.7 MPa。 隨著降溫時間的進一步延長，拉伸強度迅速下降。這是由于降溫時間的適當延長和保溫，有利于更好地消除復合材料內部應力，使其拉伸強度有所提高。但是隨著降溫時間的進一步延長，復合材料的結晶度較高，從而導致其徑向拉伸強度下降[8]。

圖3 降溫時間對保持架復合材料拉伸強度的影響

2.3.2 降溫時間對保持架硬度的影響

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

表3 降溫時間對保持架復合材料硬度的影響

2.3.3 降溫時間對保持架復合材料摩擦性能的影響

降溫時間對保持架復合材料摩擦性能的影響如圖4所示。從圖4可以看出，延長降溫時間，復合材料的摩擦系數有所降低，而磨損量出現最小值后迅速增加。降溫時間對保持架復合材料磨痕寬度的影響如表4所示。從表4可以看出，降溫時間為1 h時，磨痕寬度最小。降溫時間進一步延長時，磨痕寬度變大。結晶度的提高有利于材料摩擦系數的降低。硬度的降低和燒結時間的延長致使保持架復合材料耐磨性變差，磨損量升高。

圖4 降溫時間對保持架復合材料摩擦性能的影響

表4 降溫時間對保持架磨痕寬度的影響

3 結論

(1)延長降溫時間有助于消除保持架復合材料內應力和增加結晶度。降溫時間為1 h時，材料的拉伸強度為22.7 MPa，耐磨性較好，此時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，保持架復合材料的力學性能、摩擦磨損性能和經濟效益比達到最佳。