基體樹(shù)脂和納米顆粒含量對(duì)自潤(rùn)滑襯墊摩擦磨損性能的影響

丁建華，王亞強(qiáng)，張光宇，祖大磊,2

( 1.洛陽(yáng)礦山機(jī)械工程設(shè)計(jì)研究院 破碎篩分機(jī)械研究所，河南 洛陽(yáng) 471039；2.燕山大學(xué) 極端條件下機(jī)械結(jié)構(gòu)與材料科學(xué)國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，河北 秦皇島 066004)

織物型自潤(rùn)滑襯墊主要應(yīng)用于航空自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承，其摩擦磨損性能對(duì)自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承的性能和壽命起著決定性作用[1-2]。文獻(xiàn)[1，3]在襯墊的結(jié)構(gòu)、摩擦對(duì)偶面材料和工況條件等方面對(duì)襯墊摩擦學(xué)性能的影響進(jìn)行了大量的研究。但是，隨著航空領(lǐng)域的發(fā)展，對(duì)自潤(rùn)滑襯墊的性能要求越來(lái)越苛刻，這就要求研究高性能自潤(rùn)滑襯墊[4]。

織物型自潤(rùn)滑襯墊本質(zhì)上是一種纖維織物增強(qiáng)型聚合物基復(fù)合材料，其制造過(guò)程主要由織物的編織、浸漬樹(shù)脂和烘干3個(gè)過(guò)程組成。在織物的編織時(shí)，一般選用聚四氟乙烯(PTFE)纖維為潤(rùn)滑材料，選用芳綸、玻璃纖維、聚酯和碳纖維等其中的一種或幾種作為增強(qiáng)材料；織物浸漬選用的樹(shù)脂主要有酚醛樹(shù)脂、聚酰亞胺、環(huán)氧樹(shù)脂等，浸漬樹(shù)脂中還需要添加一些減摩耐磨顆粒。

織物型自潤(rùn)滑襯墊的摩擦磨損性能受到多種因素影響，其中制備襯墊的材料種類(lèi)及其在襯墊中所占比例對(duì)襯墊的摩擦磨損性能有著重要的影響。下文研究了含有納米顆粒的織物型自潤(rùn)滑襯墊的摩擦磨損性能，討論了樹(shù)脂含量及納米顆粒對(duì)自潤(rùn)滑襯墊摩擦學(xué)性能的影響機(jī)理。由于試驗(yàn)中所用增強(qiáng)織物是一致的，因此，可以用襯墊的不同面密度來(lái)表征襯墊中不同的基體樹(shù)脂含量，即面密度為347，472，617 g/m2。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

Kevlar/PTFE織物是機(jī)織斜紋結(jié)構(gòu)，選用Kevlar纖維作為增強(qiáng)纖維，PTFE纖維作為潤(rùn)滑纖維。浸漬樹(shù)脂為某化工廠生產(chǎn)的酚醛樹(shù)脂(鐵錨204)，室溫剪切強(qiáng)度不低于15 MPa，在200 ℃條件下不低于6 MPa。選用的納米氧化鈦和納米氧化鋁平均粒徑為30 nm，在JEM-2010型透射電子顯微鏡(TEM)下的圖像如圖1所示。從圖上可以看出，添加的納米顆粒形狀為球狀，有團(tuán)聚現(xiàn)象。納米膨脹石墨為實(shí)驗(yàn)室自制。磨損試驗(yàn)所選用的上試樣底材和下試樣均為45#鋼。

圖1 納米顆粒TEM圖

1.2 襯墊及試樣制備

將基體樹(shù)脂質(zhì)量1%的納米顆粒加入到一定量的浸漬樹(shù)脂的稀釋劑中(無(wú)水乙醇∶乙酸乙酯=1∶1)，超聲波振蕩均勻分散。將含有分散好納米顆粒的稀釋劑倒入一定量的浸漬樹(shù)脂中，磁力攪拌2h，超聲波振蕩1 h，使納米顆粒在樹(shù)脂中均勻分散。

Kevlar/PTFE織物經(jīng)過(guò)處理(丙酮溶液中浸泡12 h，再蒸餾水煮沸15 min，最后用烘箱在110 ℃下烘干5 h)后，將織物放入配置好的浸漬樹(shù)脂中浸漬，超聲波振蕩2 h。將浸漬好的織物放入烘箱中，在110 ℃條件下烘干2 h。將制備好的襯墊進(jìn)行剪裁，使用酚醛樹(shù)脂將剪裁好的襯墊試樣粘貼在底材上，在壓力為0.1 MPa，溫度為180 ℃的條件下固化2 h，即制備出磨損試驗(yàn)試樣。

1.3 摩擦磨損試驗(yàn)

襯墊的摩擦磨損試驗(yàn)在MM-200摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。試驗(yàn)條件為：速度0.942 m/s，室溫，載荷1 000 N，試驗(yàn)時(shí)間9 h。在試驗(yàn)過(guò)程中，摩擦系數(shù)由記錄軟件記錄。為了降低試驗(yàn)數(shù)據(jù)的離散型，同一條件下做5組試驗(yàn)，然后取平均值。試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)，上、下試樣之間形成線接觸，試驗(yàn)結(jié)束后，襯墊的磨損表面為一弧面磨痕。因此，用游標(biāo)卡尺測(cè)量襯墊磨痕的寬度b，測(cè)量3個(gè)位置，取平均值。應(yīng)用(1)式和(2)式計(jì)算襯墊的磨損率K。

(1)

(2)

式中：R為下試環(huán)的半徑，mm；P為施加載荷，N；B為襯墊的寬度，mm；L為試驗(yàn)過(guò)程中摩擦滑動(dòng)距離，m。

1.4 磨損表面微觀結(jié)構(gòu)分析

通過(guò)電子掃描顯微鏡(KYKY-2800， HITACHI S-4800)對(duì)襯墊和磨損對(duì)偶面的磨損表面進(jìn)行了觀測(cè)。在觀測(cè)前，為了使觀測(cè)試樣導(dǎo)電，在襯墊觀測(cè)面做噴金處理。

2 結(jié)果與討論

2.1 摩擦磨損性能

圖2表明了當(dāng)基體樹(shù)脂中沒(méi)有添加納米顆粒時(shí)，不同面密度襯墊的摩擦系數(shù)隨著試驗(yàn)時(shí)間的變化情況。從圖中可以發(fā)現(xiàn)：

圖2 不同面密度襯墊(未添加納米顆粒)的摩擦系數(shù)隨時(shí)間變化情況

(1)隨著襯墊中基體樹(shù)脂含量的增大，摩擦系數(shù)呈下降趨勢(shì)。這說(shuō)明，由于壓縮力和摩擦剪力的作用，在襯墊磨損表面形成一層潤(rùn)滑覆蓋層，基體樹(shù)脂含量的增大有利于降低覆蓋層的摩擦系數(shù)。

(2)當(dāng)襯墊面密度為347 g/m2和617 g/m2時(shí)，摩擦系數(shù)相對(duì)較為穩(wěn)定；但面密度為472 g/m2時(shí)，摩擦系數(shù)出現(xiàn)了上升階段(標(biāo)示A)。面密度為347 g/m2襯墊基體樹(shù)脂含量相對(duì)較少，襯墊表面和內(nèi)部的基體樹(shù)脂含量差別不大，襯墊磨損表面的潤(rùn)滑覆蓋層成分比例相對(duì)穩(wěn)定，這可能使得襯墊摩擦系數(shù)比較恒定。面密度為617 g/m2襯墊基體樹(shù)脂含量相對(duì)較多，襯墊磨損表面的潤(rùn)滑覆蓋層由大量基體樹(shù)脂和少量PTFE斷裂纖維組成，由于襯墊表面基體樹(shù)脂層較厚，在試驗(yàn)時(shí)間內(nèi)潤(rùn)滑覆蓋層組成變化不大，這使得襯墊摩擦系數(shù)較為穩(wěn)定。面密度為472 g/m2襯墊表面基體樹(shù)脂較為適中，試驗(yàn)過(guò)程中，襯墊磨損表面潤(rùn)滑覆蓋層開(kāi)始由較多基體樹(shù)脂和斷裂纖維組成，此時(shí)狀態(tài)接近于面密度為617 g/m2襯墊摩擦狀態(tài)；隨著磨損增加，潤(rùn)滑覆蓋層不斷被消耗，磨損深度增大，導(dǎo)致潤(rùn)滑覆蓋層中的基體樹(shù)脂減少，又逐漸趨向于面密度為347 g/m2襯墊摩擦狀態(tài)，因此，出現(xiàn)了摩擦系數(shù)的上升階段。

圖3表明了當(dāng)基體樹(shù)脂中添加有1%納米氧化鋁顆粒時(shí)，不同面密度襯墊摩擦系數(shù)隨著試驗(yàn)時(shí)間的變化情況。從圖中可以發(fā)現(xiàn)：

圖3 不同面密度襯墊(添加納米氧化鋁)的摩擦系數(shù)隨時(shí)間變化情況

(1)面密度為347 g/m2襯墊試驗(yàn)過(guò)程中摩擦系數(shù)相對(duì)平穩(wěn)，整個(gè)過(guò)程呈下降趨勢(shì)，這可能是由于襯墊內(nèi)部納米氧化鋁的顆粒濃度較表層小，而且氧化鋁團(tuán)聚大顆粒不易進(jìn)入浸漬到織物內(nèi)部，隨著覆蓋層的形成和消耗，磨損深度逐漸增大，襯墊磨損表面的潤(rùn)滑覆蓋層含有的納米氧化鋁顆粒減少。

(2)對(duì)于面密度為472 g/m2和617 g/m2襯墊，試驗(yàn)過(guò)程中摩擦系數(shù)短時(shí)間內(nèi)波動(dòng)較大，特別是階段A摩擦系數(shù)波動(dòng)較大，這可能是由于納米氧化鋁顆粒在襯墊表面基體樹(shù)脂中更易團(tuán)聚，大的團(tuán)聚顆粒能夠存在于襯墊表面基體樹(shù)脂中，這使得襯墊摩擦過(guò)程中團(tuán)聚顆粒和摩擦對(duì)偶面相互作用，導(dǎo)致摩擦系數(shù)波動(dòng)較大。對(duì)于階段B，襯墊磨損深度較大，但面密度為472 g/m2和617 g/m2襯墊的摩擦系數(shù)較面密度為347 g/m2襯墊摩擦系數(shù)波動(dòng)大，這可能是由于在階段A，納米氧化鋁對(duì)摩擦對(duì)偶面產(chǎn)生的損傷所致。

圖4和圖5分別表明了添加有1%納米氧化鈦和1%膨脹石墨下不同面密度自潤(rùn)滑襯墊的摩擦系數(shù)隨時(shí)間的變化情況。與添加納米氧化鋁相同，隨著基體樹(shù)脂含量的增大，襯墊的摩擦系數(shù)減小；當(dāng)襯墊基體樹(shù)脂含量較大時(shí)(472 g/m2和617 g/m2)，添加有納米氧化鈦和膨脹石墨襯墊的摩擦系數(shù)較添加納米氧化鋁時(shí)更為穩(wěn)定。而基體樹(shù)脂含量的不同對(duì)襯墊摩擦過(guò)程中磨合時(shí)間的影響不大。

圖4 不同面密度襯墊(添加納米氧化鈦)的摩擦系數(shù)隨時(shí)間變化情況

圖5 不同面密度襯墊(添加膨脹石墨)的摩擦系數(shù)隨時(shí)間變化情況

圖6為分別添加有納米氧化鋁、納米氧化鈦和納米膨脹石墨，不同面密度的自潤(rùn)滑襯墊的磨損率。從圖中可以看出：

圖6 不同面密度襯墊的磨損率

(1)除了添加有膨化石墨的襯墊外，襯墊的磨損率隨著面密度的增大而增大。這說(shuō)明隨著襯墊中基體樹(shù)脂含量的增大，尤其是襯墊表面樹(shù)脂覆蓋層的增厚，襯墊的抗磨性能減弱，這是由于隨著基體樹(shù)脂含量的增大，增強(qiáng)織物的作用會(huì)弱化，尤其是在襯墊表面樹(shù)脂覆蓋層沒(méi)有纖維織物時(shí)，會(huì)導(dǎo)致襯墊的抗磨性能下降，另一方面可能是由于基體樹(shù)脂含量的增大，襯墊壓縮彈性模量減少，使襯墊的磨損率增大。

(2)在不同面密度條件下，納米氧化鋁和納米氧化鈦的添加對(duì)提高襯墊的抗磨性能有著明顯的效果，納米膨脹石墨的添加則使得襯墊的抗磨性能降低。對(duì)于分別添加有納米氧化鈦和納米氧化鋁的襯墊，在面密度為472 g/m2時(shí)襯墊的磨損率較面密度為347 g/m2時(shí)有所增大，但增大程度不明顯。

2.2 襯墊磨損表面微觀結(jié)構(gòu)

圖7顯示了添加1%納米氧化鈦的不同面密度襯墊的磨損表面微觀形貌。從圖中可以看出：

(1)圖7a中，面密度為347 g/m2襯墊的磨損表面芳綸纖維完全裸露，這說(shuō)明，此時(shí)芳綸纖維是襯墊潤(rùn)滑覆蓋層的主要組成，完全參與摩擦磨損過(guò)程。

(2)圖7b中，面密度為617 g/m2襯墊的磨損表面芳綸纖維磨損程度低于面密度為347 g/m2襯墊。襯墊表面仍然覆蓋有一層樹(shù)脂覆蓋層，對(duì)襯墊磨損表面起到保護(hù)作用。

圖7 不同面密度襯墊磨損表面SEM圖像

3 結(jié)論

(1)自潤(rùn)滑襯墊中基體樹(shù)脂的含量對(duì)襯墊的摩擦磨損性能有重要的影響, 存在一個(gè)較優(yōu)的基體樹(shù)脂含量范圍，在此范圍內(nèi)，自潤(rùn)滑襯墊的摩擦系數(shù)和磨損率較低，綜合摩擦學(xué)性能較優(yōu)。

(2)當(dāng)添加有納米顆粒時(shí)，隨著基體樹(shù)脂含量的增大，納米顆粒在基體樹(shù)脂中團(tuán)聚現(xiàn)象也趨于嚴(yán)重，這也導(dǎo)致了襯墊摩擦系數(shù)波動(dòng)較大。添加納米顆粒的性質(zhì)對(duì)摩擦系數(shù)也有一定的影響，添加有納米氧化鈦襯墊的摩擦系數(shù)較為穩(wěn)定，納米氧化鈦和納米氧化鋁的添加對(duì)襯墊抗磨性能改善也較為明顯。

(3)納米添加顆粒通過(guò)對(duì)襯墊磨損表面的影響，特別是對(duì)磨損表面潤(rùn)滑覆蓋層的影響，對(duì)自潤(rùn)滑襯墊的摩擦磨損性能產(chǎn)生影響。在襯墊摩擦磨損過(guò)程中，隨著襯墊的磨損消耗，會(huì)導(dǎo)致襯墊摩擦性能發(fā)生階段性變化。