不同碳材料對耐磨涂層的改性研究

辛存良，何世安

（中國電子科技集團公司第十六研究所，低溫技術安徽省重點實驗室，安徽 合肥 230088）

斯特林制冷機是一種為紅外探測器提供低溫環境的重要器件[1，2]。而活塞表面附著的耐磨涂層對斯特林制冷機的性能和穩定性起著至關重要的作用。為此，需對耐磨涂層的性能進行深入的研究。

目前，常用的耐磨涂層是以聚四氟乙烯為基體制備的，這是由于聚四氟乙烯含有多個重復的“-CF2-”單元，這種碳鍵結構非常牢固，但其分子間的結合卻較弱，因此分子整體的輪廓比較光滑[3]，這樣會降低滑動阻力，致使其具有自潤滑性。通過添加一些耐磨填料可以改善其耐磨性不足的弱點，常用的耐磨填料有石墨和石墨烯。石墨因其具有獨特的層狀結構使其平面層之間的結合較弱，所以在摩擦磨損過程中平面層與平面層之間極易發生滑動，因此，摩擦系數較小，常用作改性劑以改善耐磨效果[4，5]。石墨烯由于突出的力學性能使其具有較高的強度[6]，是一種各項性能較為優異的新材料。但是，石墨烯在實際產品中的應用研究還較少。本研究分別選用石墨和石墨烯對聚四氟乙烯耐磨涂料進行改性，以改善耐磨涂層的耐磨性能。

1 實驗部分

1.1 主要原料

石墨、石墨烯，市售；聚四氟乙烯基耐磨涂層，自制。

試驗測試樣件均為中國電子科技集團公司第十六研究所加工提供。

1.2 儀器與設備

MGW-02型微機控制式摩擦磨損試驗機，濟南益華摩擦學測試技術有限公司；QFHHD600型涂層附著力測試儀，北京大河灣科技有限公司；QTX型涂層柔韌性測試儀，天津市世博偉業化玻儀器有限公司；QCJ-120型涂層沖擊試驗機，天津賽亞試驗機設備制造廠；DZF-1B型真空干燥箱，上海賀德實驗設備有限公司；MM-400型光學顯微鏡，日本Nikon Corporation。

1.3 試樣制備

測試樣件的涂層厚度控制在25～30μm，涂層的制備是通過噴涂的方法在一定規格尺寸的樣件表面成膜。

1.4 性能測試

（1）摩擦系數：采用往復摩擦進行試驗（常溫條件下，加載力為20 N，摩擦試驗時長為8 h，頻率為50 Hz）；

（2）涂層附著力：按照GB/T 9286—1998《色漆和清漆漆膜的劃格試驗》標準進行測試（對照參數表的0、1、2、3、4、5級進行歸類，其中0級的附著力效果相對最好，然后依次減弱）。

（3）柔韌性：按照GB/T 1731—1993《漆膜柔韌性測定法》標準，采用一定直徑的軸棒進行彎曲試驗測試。

（4）抗沖擊強度：按照GB/T 1732—1993《漆膜耐沖擊性測定法》標準，采用重錘對涂層進行沖擊測試。

（5）微觀形貌：采用光學顯微鏡觀察經試驗后的涂層有無裂紋或剝落等現象。

2 結果與討論

2.1 摩擦磨損性能

將石墨和石墨烯改性的耐磨涂層與其配對的摩擦副分別進行摩擦試驗，測定了涂層的摩擦磨損情況，測出的摩擦系數如圖1所示。由圖1可知：聚四氟乙烯耐磨涂層（以下簡稱“耐磨涂層”）與其配對的摩擦副在摩擦試驗結束后的摩擦系數為0.16，而在同種條件下由石墨和石墨烯分別改性的耐磨涂層的摩擦系數分別為0.15和0.13，說明由石墨和石墨烯改性的耐磨涂層在摩擦過程中產生的摩擦阻力較小，即石墨和石墨烯這2種碳材料分別對耐磨涂層具有較好的改善效果，其中尤以石墨烯改性的耐磨涂層的改善效果更佳。

圖1 涂層的摩擦系數Fig.1 Friction coefficient of coatings

圖2 中所示的a、b和c分別為耐磨涂層、石墨和石墨烯改性的耐磨涂層在摩擦試驗后放大50倍的表面形貌。由圖2a中可以看出，摩擦后的涂層表面具有較多的類似犁溝結構的形狀及較多的顆粒物出現；圖2b中出現的類似犁溝結構的形狀及顆粒物較少；而圖2c中出現更少的摩擦磨損痕跡。圖2a和圖2b中出現的較多類似于犁溝形狀的形貌是由磨料磨損造成的，這是一種由接觸表面的硬顆粒或凹凸不平的硬突起物在摩擦過程中使材料產生遷移而造成的一種磨損，這對發生摩擦接觸的摩擦副表面會產生一種微觀切削，因此會有這種磨損形貌的出現，而且也出現了由于局部應力集中而造成的疲勞磨損，兼有粘著磨損和氧化腐蝕磨損的發生[7]。從摩擦磨損的表面結構來看，石墨烯改性的耐磨涂層磨損較少。

圖2 3種涂層摩擦后放大50倍的表面形貌Fig.2 Surface morphologies（magnified 50 times）of three coatings after friction

2.2 涂層的附著力性能

噴涂后的耐磨涂層及改性涂層附著力性能的測試結果如圖3所示。由圖3可知，耐磨涂層及石墨改性的耐磨涂層的附著力均為1級，石墨烯改性的耐磨涂層的附著力為0級，即石墨烯改性的耐磨涂層的附著力相對最佳。石墨烯在耐磨涂料體系中能夠較均勻地分散可能與其本身特殊的微觀結構有關。

圖3 涂層的附著力Fig.3 Adhesion of coatings

2.3 涂層的柔韌性能

涂層柔韌性能測試結果如圖4所示。由圖4可知，這3種耐磨涂層的柔韌性數值均為1 mm，說明這3種耐磨涂層在進行大角度彎曲時仍然不發生裂紋或剝落變化，即未出現彎曲后的裂紋或剝落，說明3種耐磨涂層的柔韌性能均較好。

圖4 涂層的柔韌性Fig.4 Flexibility of coatings

2.4 涂層的抗沖擊性能

對涂層抗沖擊性能測試結果如圖5所示。由圖5可以看出，耐磨涂層、石墨改性耐磨涂層及石墨烯改性的耐磨涂層的抗沖擊強度分別為5 N·m、10 N·m和12 N·m。常規耐磨涂層的抗沖擊強度最大為5 N·m，而由石墨和石墨烯分別改性后的耐磨涂層的抗沖擊強度均較高，特別是石墨烯改性耐磨涂層的抗沖擊性能較突出。

3 結語

圖5 涂層的抗沖擊性能Fig.5 Impact resistance property of coatings

由試驗結果可知，石墨和石墨烯分別改性的耐磨涂層均表現出較好的性能，特別是石墨烯改性的耐磨涂層的性能更為優越。