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。考察了聚苯酯添加量和燒結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。混合料應現配現用，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。