PTFE 基復合材料海水潤滑下的摩擦學性能研究?

鄒辛祺 葛正浩 王超寶 陳 威

（陜西科技大學機電工程學院 陜西西安 710021）

潤滑可有效減少摩擦磨損行為的發生，提高機器效率的同時節約大量的資源、能源［1－2］。對海洋裝備而言，通過海水潤滑進一步降低運動零部件的摩擦磨損行為，對減少資源消耗、解決海洋環境污染問題而言具有重要意義［3－4］。因此，海洋工程裝備中傳統金屬材料的摩擦副正逐步實現以塑代鋼。聚四氟乙烯（PTFE）及其復合材料具有優異的耐熱性及力學性能被廣泛應用于摩擦學領域，以制作各種自潤滑零部件［5－8］。PTFE 的化學穩定性尤為突出，在海洋環境下可保持長期性能穩定，在海洋裝備及高技術船舶領域具有巨大的應用潛力。但PTFE 及其復合材料在高速摩擦下的耐磨性能較差，明顯限制了其在海洋工業中的應用，如何延長其在高速摩擦下的耐磨性已成為當前的研究熱點之一［9－10］。

材料復合設計是提升PTFE 耐磨性能的常用方法，通過增強、潤滑等手段均可明顯降低PTFE 的摩擦損失。例如，添加碳纖維［11］、玻璃纖維［12］可明顯改善PTFE 的硬度與強度，進而明顯改善其摩擦學性能，拓展PTFE 及其復合材料在生物摩擦學等領域內的應用［13］；填充石墨和銅粉等高模量無機顆粒，也可明顯提升PTFE 的硬度和耐磨性能。石墨具有典型的片狀結構，是常見的一類固體潤滑劑，石墨填充PTFE 復合材料比純PTFE 具有更低的摩擦因數［14－15］。

摩擦工況參數是影響摩擦材料使用性能的另一個重要因素。汪懷遠等［16］通過分析載荷、滑動速度以及溫度對復合材料摩擦學性能的影響，指出上述因素可顯著影響復合材料的摩擦磨損性能。焦素娟等［17］研究了水潤滑條件下石墨／PEEK／PTFE 復合材料的摩擦學性能，研究發現石墨對摩擦因數影響較小，但磨損率隨其含量的增加明顯減少。金石磊等［18］將碳纖維增強PTFE 基復合材料與鋁合金配副進行摩擦磨損實驗，結果表明填充碳纖維在多種工況下均可明顯改善PTFE 的摩擦學性能。同時，由于PTFE 在海洋裝備及高技術船舶領域的需求迫切，PTFE 在海水極端服役條件下的摩擦學性能研究已成目前研究熱點之一。通常情況下，通過產生轉移潤滑膜等方法，可使得海水潤滑條件下PTFE 復合材料的摩擦學性能顯著提高［18－20］。

降低海洋裝備摩擦零部件對海洋環境造成的污染與資源消耗，海洋摩擦副配副材料的研究就顯得尤為重要。另外，此前的研究發現氮化硅陶瓷在摩擦學領域展示出優異的性能，在海水潤滑下氮化硅陶瓷會在摩擦面形成一層轉移潤滑膜，可有效降摩擦因數與磨損率［21］。鑒于PTFE 在海洋摩擦領域的巨大應用潛力，同時考慮配副自潤滑性能對PTFE 摩擦性能的提升作用，本文作者研究了PTFE 及其復合材料與氮化硅陶瓷配副在海水潤滑條件下的摩擦學性能，討論了不同復合體系與摩擦工況對復合材料摩擦學性能的影響，并討論了其潤滑機制，對推動PTFE 在海洋裝備領域的應用具有重要的意義。

1 試驗部分

1.1 試驗材料制備

首先制備海水試驗條件下所需的不同PTFE 基復合材料盤試樣以及與之配副的Si3N4陶瓷材料。

1.1.1 PTFE 復合材料的制備

PTFE 基復合材料配方（質量分數）為：70%PTFE 粉體（東莞興旺塑膠原料有限公司生產），15%玻璃纖維粉體（連云港匯福納米新材料有限公司生產），或者15%碳纖維粉體（連云港匯福納米新材料有限公司生產），0.01%耦合劑硅烷，其他余量。

將PTFE 與填料按上述比例均勻混合，模壓成型后按如圖1 所示燒結曲線高溫燒結，即加熱至燒結溫度350 ℃，保溫2 h；降溫時先以25 ℃／h 的速度降至300 ℃，保溫1 h，然后自然降溫至室溫，關閉電熱燒結爐電源開關，待制品熱量散去取出試樣，得到CF／PTFE、GF／PTFE 復合材料試樣，如圖2 所示，試樣尺寸為?44 mm×6 mm。

圖1 PTFE 基復合材料的燒結曲線Fig.1 Sintering curves of PTFE matrix composites

圖2 銷、盤示意Fig.2 Schematic of pins and disks

1.1.2 Si3N4陶瓷銷試樣的制備

Si3N4陶瓷試樣制備采用純度為99.99%（質量分數）的陶瓷粉末，添加質量分數10%的Al2O3和Y2O3為燒結助劑，在型號為WT－ZR－20T 的真空熱壓燒結爐中燒結而成（燒結工藝：溫度1 800 ℃，壓力30 MPa，保溫保壓30 min）。燒結完成后采用切割機將其切割成5 mm×6 mm×12 mm 的長方體，后進行打磨拋光清洗。Si3N4陶瓷試樣的物理力學性能如表1所示。

表1 氮化硅陶瓷的物理力學性能Table 1 Physical and mechanical properties of silicon nitride ceramics

1.3 摩擦學性能測試

人工海水按照ASTD 1141－98 標準配置，配置過程如下：按100 ∶3.5 的比例在去離子水中加入海鹽，海鹽溶化并攪拌均勻后即得到所需的人工海水環境。配制的人工海水組成示意圖如圖3 所示。

圖3 海水組成示意Fig.3 Schematic of seawater composition

在銷盤摩擦試驗機（MMW－1 型，濟南中創工業測試系統有限公司生產）上進行摩擦磨損試驗，摩擦磨損試驗示意如圖4 所示。試驗溫度為室溫，滑動速度均分別為300、500、1 000 r／min，磨程為2 010 m，載荷為20 N。

圖4 摩擦磨損試驗示意Fig.4 Schematic of friction and wear test

為了保證試驗結果更加精確，在試驗前分別用240、400、800 目的砂紙對Si3N4陶瓷銷試樣進行打磨，利用PG－2 金相試樣拋光機對試樣進行打磨后用P－1 型金相拋光機與拋光劑對銷試樣進行拋光處理。

在乙醇溶液中利用KQ－250DE 型數控超聲波清洗儀對拋光后試樣進行清洗，設定清洗時長為10 min。采用QUINTIX224－1CN 型號的電子天平稱量試驗前后試樣質量，計算得到試樣磨損質量損失。按式（1）體積計算磨損率：

式中：Vm為體積磨損率（mm3／（N·m））；Δm為磨損質量損失（mg）；N為試驗載荷（N）；S為滑動距離（m）；ρ為試樣密度（g／cm3）。

2 試驗結果及分析

2.1 摩擦磨損性能

圖5、圖6 示出了海水環境下Si3N4陶瓷分別與PTFE、CF／PTFE、GF／PTFE 配副時，在300、500、1 000 r／min 滑動速度下的摩擦因數與磨損率。可見，隨著滑動速度的增加，摩擦因數與磨損率均呈現明顯下降的趨勢。

圖5 PTFE 基復合材料在不同滑動速度下的摩擦因數Fig.5 Friction coefficient of PTFE based composites at different sliding velocities

圖6 PTFE 基復合材料與Si3N4配副在不同摩擦滑動速度下的磨損率Fig.6 Wear rate of PTFE based composites and silicon nitride at different sliding velocities

從圖5 中可知，海水環境下Si3N4陶瓷與純PTFE材料配副時摩擦因數相對較高，在1 000 r／min 速度下摩擦因數為0.146；而Si3N4陶瓷與CF／PTFE 復合材料配副時摩擦因數較低，在1 000 r／min 速度下摩擦因數為0.026。從圖6 中可知，海水環境下CF／PTFE復合材料與Si3N4陶瓷配副時的磨損率相對較低，在1 000 r／min滑動速度下Si3N4陶瓷銷磨損率低至1.21×10－5mm3／（N·m）。

2.2 磨損表面形貌分析

在3 種不同滑動速度下，與Si3N4陶瓷配副的不同PTFE 基復合材料的微觀形貌圖如圖7—9 所示。整體看來，隨著滑動速度的增加PTFE、CF／PTFE 與GF／PTFE 盤試樣摩擦表面都呈現出逐漸光滑的趨勢，其中碳纖維增強的PTFE 呈現出更為光滑的摩擦表面。這可能歸因于添加碳纖維的PTFE 基復合材料硬度更高，磨屑較少，磨粒磨損程度不高。添加玻璃纖維的PTFE 基復合材料硬度相對較低，容易產生硬度較高的磨屑，形成三體磨損，加劇兩摩擦副的磨損。因此，下文重點分析CF／PTFE 復合材料在不同滑動速度下的摩擦面形態。

如圖8（a）所示，當滑動速度為300 r／min 時，CF／PTFE 盤試樣表面出現明顯的磨痕，黏附層與磨粒數量較多，摩擦表面較不平整光滑。如圖8（b）所示，當速度增加至500 r／min 時，CF／PTFE 盤試樣摩擦表面依然較為粗糙，但相較300 r／min 速度下的微觀磨損程度有所改善，黏附層與磨粒數量均有大幅度減少。這可能歸因于在海水潤滑下，隨著滑動速度的增大，磨屑增多，產生的磨屑一部分被海水沖走；另一方面，當磨屑增多時，會有大量剝落坑出現，產生的磨屑填充到剝落坑中，使得磨損率降低的同時摩擦表面變得光滑。

圖8 不同滑動速度下CF／PTFE 盤試樣摩擦表面微觀形貌Fig.8 Friction surface topography of CF／PTFE disk samples at different sliding velocities：（a）300 r／min；（b）500 r／min；（c）1 000 r／min

圖9 不同滑動速度下GF／PTFE 盤試樣摩擦表面微觀形貌Fig.9 Friction surface topography of GF／PTFE disk samples at different sliding velocities：（a）300 r／min；（b）500 r／min；（c）1 000 r／min

如圖8（c）所示，當滑動速度繼續增加到1 000 r／min 時，摩擦表面的磨痕明顯減輕，且出現部分光滑形貌組織。這可能歸因于試驗過程中人工海水與填料均能起到一定的減磨作用，摩擦表面的剝落坑與磨痕隨著速度增加逐漸減少，摩擦表面逐漸光滑。由于磨屑在摩擦界面上循環運動時，能與對偶面發生力學作用和摩擦化學反應，進而聚集并粘附在摩擦對偶面上，形成一種潤滑膜，使基體材料具備自潤滑性能。這種潤滑膜在Si3N4陶瓷上更為明顯，與CF／PTFE 盤試樣配副的Si3N4試樣在1 000 r／min 轉速下的表面微觀組織形貌如圖10 所示，可以看出Si3N4配副表面有大面積的光滑形貌，這在一定程度上改善了摩擦配副的摩擦學性能。

圖10 Si3N4陶瓷銷試樣摩擦表面微觀形貌（與CF／PTFE 配副，1 000 r／min）Fig.10 Friction surface topography of Si3N4 ceramic pin sample（with CF／PTFE pair，1 000 r／min）

為了進一步探究CF／PTFE 復合材料的磨損機制，對其磨損表面進行EDS 分析。圖11 所示為在海水潤滑下滑動速度為1 000 r／min 時，CF／PTFE 盤試樣摩擦表面及EDS 分析結果。元素含量圖譜顯示，摩擦表面主要元素為Ca、Si、C、O、Al 和F，其中C 元素與F 元素是盤試樣的基質元素，Si 元素含量也較高，可以判斷此時試樣有黏接脫落體，主要磨損機制為磨粒磨損與黏著磨損。

圖11 1 000 r／min 下CF／PTFE 盤試樣摩擦表面形貌（a）和EDS 圖譜（b）Fig.11 Friction surface topography（a）and EDS spectrum（b）of CF／PTFE disk sample at sliding velocity of 1 000 r／min

進一步對CF／PTFE 盤試樣摩擦表面進行了XPS分析，結果如圖12 所示。可以看出，Ca 元素擬合圖中結合能為347.4 和357.7 eV，分別對應Ca 和CaCO3的結合能；Si 元素擬合圖中結合能為101.8 和103.0 eV，分別對應于Si 和SiO2的結合能。一方面，進一步印證海水中的潤滑物質在一定程度上附著在摩擦接觸表面從而降低摩擦因數提高配副摩擦學性能；另一方面，摩擦表面新物質SiO2的存在，說明了在摩擦過程中發生了摩擦化學反應Si3N4＋6H2O＝3SiO2＋4NH3，生成的SiO2在摩擦副表面之間形成一層具有潤滑和減磨作用的潤滑膜，在一定程度上降低了摩擦因數以及磨損率，具有良好的減磨作用。

圖12 CF／PTFE 盤試樣磨損表面XPS 分析結果Fig.12 XPS analysis results of CF／PTFE disk sample

2.3 摩擦磨損機制分析

PTFE 基復合材料在海水環境中的摩擦學行為機制如圖13 所示。在摩擦初始階段，摩擦副摩擦表面之間微凸體相互接觸產生摩擦，隨著摩擦磨損程度的增加，摩擦表面產生剝落坑、黏附層和磨屑。摩擦磨損進一步進行時Si 元素與O 元素會發生摩擦化學反應，產生SiO2并附著在摩擦表面，形成摩擦化學潤滑膜，同時海水中CaCO3等物質在一定程度上起到了還原膜的作用，共同協作降低配副的摩擦因數。

圖13 海水摩擦環境下PTFE 基復合材料摩擦學行為機制Fig.13 Tribological behavior mechanism diagram of PTFE based composites in seawater friction environment

3 結論

研究不同PTFE 基復合材料在不同摩擦速度下的摩擦學性能，討論滑動速度、復合組分對海水環境下PTFE 基復合材料摩擦學性能的影響規律，分析了其潤滑機制。得到的主要結論如下：

（1）在海水潤滑條件下，隨著滑動速度的增加，PTFE、CF／PTFE、GF／PTFE 與Si3N4陶瓷配副的摩擦學性能均有明顯改善，摩擦因數與磨損率均呈顯著降低的趨勢。

（2）與玻璃纖維相比，填充碳纖維更能有效提高復合材料在海水環境下的摩擦學性能。

（3）XPS 分析結果表明，在海水潤滑條件下，PTFE 基復合材料在摩擦過程中生成了潤滑膜，可為摩擦副提供良好的潤滑和減磨作用，從而減少摩擦磨損行為的發生。