GF 織物增強PTFE 復合材料全壽命磨損機理

劉建，彭帥豪，賀甜甜，逄顯娟，上官寶，張永振

（河南科技大學 高端軸承摩擦學技術與應用國家地方聯合工程實驗室，河南 洛陽 471000）

隨著現代化工業技術的急速提升，相關裝備零部件的性能需求在不斷地向高速高載、高可靠性、長壽命等特征發展。其中，自潤滑關節軸承以其特有的結構和功能特點，在工程機械、航空航天和其他軍用裝備中的無油潤滑部件中起到了至關重要的作用［1-2］。關節軸承的結構是由帶內球面的外圈和帶外球面的內圈組成，決定其自潤滑效果和使用壽命的則是外圈內球面上固化的自潤滑復合材料，以復合材料表面對內圈外球面的滑動摩擦代替內外圈軸承鋼的直接干摩擦，具有承載力大、自潤滑效果穩定、結構簡單、耐沖擊及維護方便等優點。然而，一旦自潤滑復合材料失效，關節軸承在高頻高載的運行條件下短時間即可發生軸承鋼的膠合，造成整個部件失效。因此，自潤滑復合材料的性能決定了關節軸承的性能［3-4］。以銅及銅合金為代表的金屬基增強自潤滑復合材料滿足了大部分低速關節軸承的性能需求，然而在高速使用條件下則表現出了高摩擦因數、高磨損率等缺點［5］。因此，纖維增強的PTFE 織物復合材料以其良好的穩定性和耐磨損性在關節軸承中得到廣泛的研究及應用［6］。研究及應用比較多的自潤滑復合材料的增強纖維有玻璃纖維、芳綸纖維、碳纖維、聚酯纖維等［7-14］，不同纖維類型對自潤滑材料摩擦學性能的改性具有不同特點。Aglan 團隊［15-17］對玻璃纖維增強PTFE（GF/PTFE）復合材料的疲勞斷裂韌性及其機理進行了系統的評價。蘇峰華等研究了玻璃纖維［18］及碳纖維［19］增強的PTFE 織物復合材料的摩擦磨損性能，在此基礎上進一步研究了不同制備工藝下GF/PTFE 織物增強酚醛樹脂基復合材料的滑動摩擦性能，結果表明GF/PTFE 織物不僅具有玻璃纖維優異的抗磨性能，同時具有PTFE 纖維優異的自潤滑性能。周先輝等學者們研究了不同環境條件下自潤滑復合材料的摩擦學性能和磨損機理［20-22］。Zhao 等［23］對比研究了碳纖維、玻璃纖維和芳綸纖維增強聚酰亞胺樹脂在不同條件下的干摩擦磨損性能。結果表明CF/PI 和GF/PI 復合材料分別呈現最低和最高的摩擦因數，但均顯示出相當優異的耐磨性能。中國科學院蘭州化學物理研究所張招柱團隊對不同纖維增強的PTFE 自潤滑織物復合材料的成分配比、制備工藝及其基本性能進行了大量的研究［24-27］，發現芳綸纖維及玻璃纖維增強的PTFE 織物復合材料具有良好的高速摩擦磨損性能，其中玻璃纖維以良好的結構尺寸穩定性在苛刻服役條件下的裝備零部件中得到大量應用。

目前，國內外研究者對自潤滑纖維復合材料的研究持續關注，主要進行了不同增強纖維及成分配比及對應的摩擦性能研究。但由于自潤滑纖維復合材料耐磨性能好、磨損壽命周期長等問題，現仍缺少針對自潤滑纖維復合材料的全壽命實驗研究。為此，利用高頻壓擺摩擦磨損試驗研究平臺，以GF/PTFE 纖維復合材料為實驗對象，研究其壽命周期所表現的自潤滑性能和損傷特征，探討影響其性能和壽命的關鍵因素。根據實驗及分析結果，針對性地改進材料的制備工藝，為高性能自潤滑復合材料的壽命及可靠性提升提供支撐。

1 實驗材料與方法

1.1 實驗材料

實驗材料為玻璃纖維增強的PTFE 自潤滑復合材料，編織方式為斜紋，面密度為1.45 g/cm2，玻璃纖維由南京玻璃纖維研究設計院提供，輻照PTFE 粉（粒度＜20 μm）由蘭州輻照中心提供，粘結樹脂為有機硅改性的酚醛-縮醛樹脂，由上海新光樹脂廠提供。

1.2 材料制備

制備工藝過程如下：將一定質量分數的輻照PTFE 粉分散在適量溶劑中，超聲波混合均勻后加入適量酚醛-縮醛樹脂，再次超聲混合，然后通過磁力攪拌分散均勻。將織物在含有PTFE 的樹脂溶液中反復浸漬、刷涂，獲得厚度（0.38±0.02）mm 的樣品，固化在弧度為60°±0.5°、曲率半徑為（50±0.05）mm 的試樣托上（表面粗糙度Ra＝0.45 μm）。固化過程選用酚醛-縮醛樹脂成熟的工藝參數（固化溫度：180 ℃，固化壓強：0.3 MPa，固化時間2 h）。試樣制備過程在蘭州化學物理研究所完成。所得試樣粘貼剝離強度0.35～0.40 N/mm（剝離的材料與粘貼面成140°±40°），硬度為75HV，織物密合度不大于0.07 mm，抗拉強度2.8 GPa。對偶材料采用9Cr18Mo，按照GB/T3086高碳鉻不銹軸承鋼技術條件處理（冷處理溫度－55 ℃以下，保溫時間不少于1 h），表面粗糙度0.16 μm，直徑100 mm，實驗前用丙酮對對偶環進行去油處理。試驗室相對濕度60%～65%，室溫25 ℃。

1.3 測試方法

根據該材料應用條件，選擇其常規載荷16 MPa（32 kN）、頻率8 Hz、擺動角度±3.2°的條件進行全壽命實驗。試驗平臺主機結構示意圖如圖1 所示。摩擦副的往復擺動由主軸上的液壓擺動缸實現，擺動頻率范圍0～30 Hz；扭矩和扭角分別通過扭矩傳感器、光電編碼器測量；加載力則通過摩擦副下方的液壓加載缸完成，加載范圍為10 kN（5 MPa）至400 kN（200 MPa），其加載方式為閉環控制，可保證擺動摩擦過程中加載力精度±1%；摩擦溫度通過距離摩擦表面0.5 mm 處的接觸式熱電偶進行實時測量，磨損厚度及摩擦副變形量通過位移傳感器測量。

圖1 測試平臺主機結構Fig.1 Test platform structure

為保證測量準確性，在實驗初始階段對試樣進行30 min 預磨，確保實驗過程材料表面處于良好的潤滑狀態。實驗過程實時監測記錄摩擦因數、摩擦溫度、變形量隨循環次數的變化，間隔50 h 對磨屑進行收集，同時對摩擦表面剩余厚度進行測量記錄，為保證測量精度，剩余厚度測量按試樣寬度方向b點為6，12，18，24，30，36 mm，長度方向a點為6，12，18，24，30，36，42，48 mm，共48 個點進行測量。當監測摩擦因數突變或摩擦溫度突然升高時，則判定試樣失去自潤滑效果即壽命終止，立即停止本次實驗。

2 結果與分析

2.1 摩擦磨損性能分析

通過對GF/PTFE 纖維復合材料的摩擦磨損性能試驗，能夠直接獲取反映其自潤滑性能的摩擦因數和摩擦溫度監測曲線。如圖2 為不同壽命階段摩擦因數（μ）和摩擦溫度（θ）的變化特征。由圖可以看出壽命初期（0～21 h）摩擦因數明顯偏高（均值-μ=0.097），且波動較大，期間出現明顯的跳躍式波動現象，表明此時材料自潤滑性能極不穩定，其原因為對偶環接觸面的轉移膜在磨損初期尚未完全形成，附著部分移動性較大，導致潤滑效果較差。同時，溫度在磨損初期整體呈上升階段，當摩擦因數波動明顯的時候溫度隨之響應，表明摩擦溫度的監測曲線也能同步反映摩擦面的自潤滑性能。壽命中期（100～119 h）的摩擦因數均值由初期的0.097 下降到0.089，且波動性明顯降低，表明此時材料自潤滑性能明顯提高，該階段的摩擦溫度維持在127 ℃。而磨損時間達到210 h 的摩擦因數開始增大，此時摩擦溫度已達138 ℃，表明材料的自潤滑效果下降，磨損加劇。在壽命后期312～317 h，摩擦因數波動劇烈，均值高達0.171，摩擦溫度則達到149 ℃，且呈上升趨勢，表明此時材料已經入失效階段，停止試驗觀察試樣表面發現已發生局部磨穿現象。雖然該材料磨損時間達317 h，但壽命后期材料的自潤滑效果及可靠性已處于不穩定狀態，因此實際壽命的標定必然小于317 h。

圖2 不同壽命階段摩擦因數與摩擦溫度變化曲線（a）0～21 h；（b）100～119 h；（c）210～239 h；（d）312～317 hFig.2 Variation curves of friction coefficient and friction temperature at different life stages（a）0-21 h；（b）100-119 h；（c）210-239 h；（d）312-317 h

壽命前期摩擦因數和摩擦溫度的波動曲線可以看出，二者隨時間的變化具有相似性（0～20 h、100～120 h），都隨循環次數的增加而升高，摩擦因數偏高的階段，摩擦溫度也較高，具有明顯的對應關系。另外，由圖2 可以看出，每個階段的試驗中摩擦因數進入動態穩定階段的時間要快于摩擦溫，這是由于摩擦因數進入動態穩定階段的時間主要取決于形成穩定轉移膜的時間，而摩擦溫度進入動態穩定階段的時間主要取決于接觸面摩擦熱的產生、積累與耗散達到平衡的時間。當磨損到一定程度，摩擦熱趨于平穩階段，此時與摩擦因數波動性的對應關系減弱（210～239 h）。而最后階段（312～317 h）摩擦因數值及波動性明顯增大，停止實驗觀察試樣表面發現已發生局部磨穿現象。

為分析整個壽命周期內摩擦因數與摩擦溫度的變化特征，每隔50 h 取均值作為該階段的參考值，并顯示相應的波動性，如圖3 所示。可以看出初期摩擦因數值較高，且波動性較大，此階段為磨合階段，而摩擦溫度初期與中期相比并沒有明顯偏高。中期穩定階段摩擦因數較低且波動性小，摩擦溫度則在中期開始增高。后期的失效階段摩擦因數和摩擦溫度同步增高，且波動性較大。因此，根據摩擦因數可將材料自潤滑性能分為三階段：磨合階段、穩定階段、失效階段。而根據摩擦溫度則可分為兩個階段：穩定階段、失效階段。根據前期試驗基礎，當監測摩擦因數超過0.12 時，材料進入壽命后期的失效階段，當摩擦因數達到0.16 時，表明材料損傷嚴重，自潤滑性能失效，此時判定為材料壽命終止。另外，監測摩擦溫度超過145 ℃時，同樣判定材料壽命終止。

圖3 摩擦溫度與摩擦因數階段性均值變化特征Fig.3 Periodic mean variation characteristics of friction temperature and friction coefficient

為研究試樣在整個壽命周期中的磨損特征，每磨損50 h 對試樣表面48 個位置取點測量剩余厚度d，將寬度方向上的6 個點取平均值，得到長度方向上8 個不同位置的磨損剩余厚度隨時間的變化，如圖4 所示。圖中可以看出，試樣初始表面不同位置的厚度在375～392 μm 之間，由于圖中每一點為多點測量的均值，此處尚無法判斷厚度離散性。而當磨合階段結束后，不同位置厚度差開始明顯變大，表明試樣表面磨損的不均勻性急劇增大。另外，試樣在磨合階段和失效階段的磨損量明顯偏大，而穩定階段的剩余厚度下降較為緩和。根據磨損厚度的變化特征，可將試樣的壽命周期分為三個階段：磨合階段、磨損穩定階段、磨損失效階段。該特征與圖3 中摩擦因數的規律具有一致性。因此，通過監測試樣剩余厚度也能夠準確反映其磨損程度及壽命階段。

圖4 試樣全壽命階段磨損特征Fig.4 Wear characteristics of the sample at the whole life stage

實際應用中，該材料的有效可靠使用壽命應控制在穩定階段之內。當材料磨損進入失效階段，由于自潤滑性能的波動及失效的突發性，隨時可能導致關節軸承失效，影響整機安全。

2.2 磨損不均勻性分析

由圖4 可以判斷，不僅平均磨損量具有時間上的非線性特征，試樣摩擦接觸面不同區域的磨損程度同樣隨著時間變化具有位置上的不確定性，即發生磨損嚴重或輕微的區域隨著時間的變化而變化。為分析試樣表面各部分在不同壽命階段的磨損程度，根據每隔50 h 的磨損表面剩余厚度d測量數據獲得了試樣表面不同區域的剩余厚度分布情況，如圖5 所示，圖中初始狀態的厚度分布不均勻表明試樣粘貼固化過程中存在工藝上的誤差，導致固化后試樣厚度不均勻。可以很明顯看出，這種不均勻性在一定程度上加劇了試樣的磨損，降低了材料耐磨性能和自潤滑效果。尤其是壽命中后期（圖4），這種影響更為顯著。120 h 和230 h 后試樣的剩余厚度分布可以判斷出磨損嚴重區域不斷變化，且不同區域磨損量的離散性不斷增大。圖5 所列4 個壽命階段的剩余厚度離散性大小（用δ表示，每個磨損試樣表面24 個不同區域剩余厚度數據的方差值）為δ317h（35.30）＞δ230h（33.03）＞δ120h（25.05）＞δ初始（22.13），可以看出試樣磨損前的不均勻性隨著摩擦磨損過程不斷放大，由此得出初始狀態的不均勻性直接影響材料壽命周期內不同區域磨損程度的不均勻性。而試樣失效后的剩余厚度分布圖可以看出不同區域的磨損程度相差顯著，嚴重區域出現增強纖維基體磨穿現象。如圖6 所示，磨損后的試樣及對偶材料表面，可以看出試樣磨穿失效區域和剝落失效區域非常明顯，且未磨穿剝落的區域表面碳化現象明顯。同時，磨損區域不均均分布現象明顯，說明局部區域的嚴重磨損是導致材料最終失效的磨損形式，而非材料整體的均勻磨損失效。

圖5 不同磨損時間磨損表面剩余厚度分布（a）0 h；（b）120 h；（c）230 h；（d）317 hFig.5 Residual thickness distribution of worn surface at different wear time（a）0 h；（b）120 h；（c）230 h；（d）317 h

圖6 磨損后試樣及對偶材料表面（a）試樣；（b）對偶環Fig.6 Surface of specimen and dual material after wear（a）sample；（b）counterpart ring

為進一步分析試樣在不同壽命階段磨損的差異程度，通過微觀檢測對磨損產物進行了微觀分析，如圖7為選取的不同階段磨屑的SEM 照片，圖8為局部磨穿后材料表面照片，其中圖8（a），（b）為磨損前試樣表面。圖7可以看出試驗初期，磨屑為分布不均的孤立片狀，產生原因為磨合階段對偶面尚未形成均勻、穩定的轉移膜，在對偶環機械刮擦作用下產生了部分較大的片狀磨屑，這也是圖4 中初期磨損嚴重且離散性大的原因。當對偶環表面形成均勻穩定的轉移膜后，試樣基體表面與對偶環的直接接觸則被轉移膜阻隔，從而降低了摩擦因數和磨損量，如圖7 中120，230 h 磨屑尺寸差異化明顯減小，磨屑幾何形狀細密，以細小磨屑為主，且收集量比較大，尤其是230 h 產生的磨屑，幾乎沒有塊狀，表明此時摩擦面自潤滑狀態及磨損量處于穩定階段。

圖7 不同磨損時間磨屑特征（a）20 h；（b）120 h；（c）230 h；（d）317 hFig.7 Wear debris characteristics at different wear time（a）20 h；（b）120 h；（c）230 h；（d）317 h

圖8 局部磨穿試樣表面特征（a）初始背面；（b）初始表面；（c）未磨穿區；（d）剝落區；（e）纖維節點剝落區；（f）膠合區Fig.8 Surface characteristics of local worn out specimen（a）initial back face；（b）initial surface；（c）non worn out area；（d）spalling area；（e）fiber node peeling area；（f）gluing area

而試樣失效后的磨屑（317 h）則以大片剝落產物為主，其剝落形狀與圖6 中的剝落區及圖8（c）相對應。盡管這種大片剝落產生于試樣局部區域，由于該區域試樣托和對偶環之間失去自潤滑材料隔離（圖8（d），（e）剝落區）導致金屬直接對磨，所以短時間內就會發生軸承鋼膠合（圖8（f）），導致整個摩擦副短時間內報廢。因此，自潤滑材料的實際使用壽命應限制在性能穩定期，一旦進入性能波動較大的失效階段（圖4），即使表面完整，也隨時可能發生局部磨穿失效導致嚴重的機械故障。

2.3 厚度均勻性對磨損壽命的影響

由前述分析可以判斷，試樣磨損厚度的均勻一致性對材料的使用壽命具有決定性影響，主要原因為試樣固化粘接的不均勻性導致的摩擦接觸應力集中進而造成機械損傷程度不一致以及不同區域形成的轉移膜狀態不同所導致。據此，第二批試樣制備過程中重新設計改進固化模具，將所制備的試樣整體不同區域厚度方差由原來的22.13 降低到16.85。如圖9（a）所示，試樣粘貼固化后表面均勻性明顯提高，僅邊緣部分厚度誤差依然較大。圖9（b）為經過375 h 磨損失效后剩余厚度表面，可以看出磨損后表面離散性比初始狀態增大，由于自潤滑纖維編織材料磨損過程中轉移膜的動態特性，導致摩擦接觸面不同區域的自潤滑效果不盡相同，因此不可避免的造成不同區域磨損不一致，然而失效后其整體均勻性仍有所提高，剩余厚度方差由原來圖5（d）的35.30 下降為27.34，且失效后沒有出現明顯的剝落痕跡，如圖10 所示。圖11 和表1 為試樣磨損后對偶環表面的SEM 照片和EDS 分析，可以看出未磨穿區轉移膜覆蓋程度依然較為均勻，磨穿區則出現了明顯的剝落坑，轉移膜附著面積降低。同時在對偶環表面發現了大量的金屬顆粒，表明自潤滑材料壽命后期存在金屬磨粒磨損，且磨損嚴重。

表1 圖11 中對應位置的EDS 分析結果（質量分數/%）Table 1 EDS analysis result corresponding to the positions in fig.11（mass fraction/%）

圖9 磨損前后試樣表面剩余厚度（a）0 h；（b）375 hFig.9 Residual thickness of sample surface before and after wear（a）0 h；（b）375 h

圖10 磨損失效后的試樣與對偶材料表面（a）試樣；（b）對偶環Fig.10 Surfaces of sample and counterpart ring after wear failure（a）sample；（b）counterpart ring

圖11 對偶環表面轉移膜SEM 照片（a）未磨穿區；（b）剝落區Fig.11 SEM morphologies of transfer film of counterpart ring（a）non worn out area；（b）spalling area

可見，提高材料初始狀態的均勻一致性能夠有效提高自潤滑效果和磨損性能。如圖12 所示，為重新固化后試樣全壽命磨損中剩余厚度變化曲線，可以看出初始階段和失效階段的磨損依然較為嚴重，然而50～200 h 的壽命區間內，不同區域的磨損量離散性較圖4相比明顯改善。推其原因為試樣初期厚度的均勻一致性提高，避免了摩擦過程接觸面較大的應力集中現象，降低了機械作用力對試樣表面的磨損，同時避免了局部摩擦面溫度過高問題，使整體摩擦面磨損趨于均勻。因此可將穩定階段分為兩部分：輕微的非均勻磨損和非均勻磨損加劇階段，前一階段中材料的自潤滑性能最穩定，各部分接觸區磨損基本保持一致。后一階段則隨著磨損程度的增加，編織結構的各向異性開始體現，導致非均勻性特征顯現。200 h 以后，不同區域磨損程度的離散性逐漸增大。此時，自潤滑過程中的摩擦面的動態變化特性起到主要作用，造成不同區域磨損程度的差異化增大。從整體壽命來看，重新固化后的試樣穩定階段由原來的230 h 增加到280 h，整體壽命則增加了57 h。因此，提高試樣的均勻一致性可降低磨損過程中摩擦面不同位置磨損的差異程度，并延長壽命周期中的穩定階段，對提高材料的性能及壽命具有顯著作用。

圖12 全壽命磨損厚度變化Fig.12 Changes of wear thickness of whole life cycle

3 結論

（1）通過全壽命試驗及分析得到自潤滑性能和磨損性能具有明顯的階段特征：磨合階段、穩定階段、失效階段，根據摩擦熱和摩擦因數的實時監測數據能夠判斷材料在不同階段的性能和壽命特征。

（2）GF/PTFE 自潤滑纖維復合材料的損傷具有顯著的非線性動態特征：隨時間變化磨損程度的不均勻以及局部嚴重磨損位置的動態特征，前者導致摩擦副自潤滑性能波動，后者則易造成材料局部磨穿失效引起突發性事故。

（3）GF/PTFE 自潤滑纖維復合材料表面厚度的不一致極大的弱化了其磨損壽命，提高表面厚度均勻一致性可顯著提高材料自潤滑性能和磨損壽命。