Si3N4/PTFE復合材料轉移膜形貌與磨損率定量分析

李文博, 解 挺, 張龍肖, 孟 響, 徐 建, 張 地

(合肥工業大學 機械工程學院,安徽 合肥 230009)

聚四氟乙烯(PTFE)具有優異的摩擦學性能,如自潤滑性、低摩擦系數、優異的化學穩定性及寬闊的高低溫度適用范圍[1],因此在眾多工程領域獲得廣泛應用[2-4]。但純PTFE耐磨性較差(～10-3mm3/(N·m)),因此通過添加各種陶瓷顆粒、纖維、金屬及其氧化物等合適的填料填充改性以提高PTFE基復合材料的耐磨性[5-7],這些填料除起到支撐載荷防止PTFE基體表面發生大面積剝落外,還能促進轉移膜的形成,使得原聚合物-金屬接觸轉變為聚合物-聚合物接觸[8],可有效降低PTFE基復合材料的磨損率。從定性角度出發,高質量的轉移膜需具備“薄”“均勻”“連續”3個特征[9],而這樣的定性描述不足以建立起PTFE基復合材料轉移膜形貌與磨損率之間的關系。

近年來,不同學者采用不同方法直接或間接地對轉移膜覆蓋率及厚度進行定量分析[10-14],并發現轉移膜最大厚度和覆蓋率與復合材料磨損率之間有良好的關聯性,但并未深入探究轉移膜厚度與覆蓋率是否對PTFE基復合材料磨損率的改變起主導作用。

因此,本文以Si3N4/PTFE復合材料為研究對象,研究轉移膜平均厚度、最大厚度、覆蓋率與Si3N4/PTFE復合材料磨損率之間的關聯性,并通過分析已建立的轉移膜厚度-磨損率與轉移膜覆蓋率-磨損率之間的擬合函數關系,進一步驗證了轉移膜厚度與覆蓋率在不同形貌下對復合材料磨損率的影響。

1 試驗與量化評價方法

1.1 樣品制備與摩擦磨損試驗

PTFE(美國杜邦公司)粒徑34 μm;Si3N4(濟南至鼎焊材有限公司)粒徑5 μm。為探究Si3N4質量分數對Si3N4/PTFE復合材料磨損率及轉移膜形貌的影響,分別按Si3N4質量分數5%、10%、15%、20%、25%制備樣品。高速攪拌均勻后模壓成型,成型壓力35 MPa,保壓時間10 min,樣品尺寸為φ10 mm×30 mm。由于模壓成型的Si3N4/PTFE復合材料機械性能較低,還需進一步燒結成型(JHN-1管式爐),升溫速度以1 ℃/min至365 ℃,保溫240 min后隨爐緩冷至室溫。

試驗采用銷盤式摩擦磨損試驗機進行摩擦磨損試驗。對偶件為304不銹鋼,尺寸φ50 mm×5 mm,表面粗糙度Ra0.02 μm,試驗速度0.5 m/s,載荷2 MPa,環境溫度21 ℃,環境濕度58%～61%。試驗前樣品摩擦端面用1 200目砂紙打磨以保證與對偶件接觸良好,再用無水乙醇將樣品表面清理干凈。

1.2 轉移膜膜厚與覆蓋率量化方法

采用基恩士3D激光掃描顯微鏡觀察對偶件摩擦區域的轉移膜形貌,利用其分析軟件導出高度數據并繪制高度分布直方圖,如圖1所示。

圖1 轉移膜高度分布示意圖

從圖1可以看出,高度分布直方圖呈現明顯的雙峰形式,左峰代表對偶件表面區域,右峰代表轉移膜覆蓋區域,借助文獻[15-17]提供的研究方法,使用高斯混合函數對雙峰進行擬合,根據其雙峰分布計算其轉移膜平均厚度Tave和轉移膜最大厚度Tmax,計算公式如下:

Tave=b2-b1

(1)

Tmax=b2-b1+3σ2

(2)

其中:b1、b2分別為對偶件表面轉移膜未覆蓋區高度分布、轉移膜覆蓋區高度分布的平均值;σ2為圖1右峰分布的方差。

將2個正態分布交點設定為分割閾值,閾值以上為轉移膜,以下為對偶件未覆蓋轉移膜表面,統計閾值以上高度點數量Na,總統計高度點數N,轉移膜覆蓋率Cr的計算公式為:

(3)

2 結果與分析

2.1 Si3N4質量分數對磨損率的影響

與純PTFE相比較,Si3N4填充改性PTFE復合材料在不同質量分數下磨損率均降低了2～3個數量級,如圖2所示。

圖2 Si3N4質量分數對試樣磨損率的影響

除Si3N4具有支撐載荷防止PTFE基體表面發生大面積剝落和阻止表面裂紋的形成外[18-20],促進轉移膜的形成則是最為重要的因素,轉移膜可使得原聚合物-金屬接觸轉變為聚合物-聚合物之間的接觸,可有效降低復合材料的磨損率。從圖2可以看出,隨Si3N4質量分數的增加,復合材料磨損率呈現先降低后增加的趨勢,在Si3N4質量分數為20%時,復合材料的磨損率最低,為1.09×10-6mm3/(N·m)。

對偶件表面轉移膜的高度圖像如圖3所示。從圖3可以看出:純PTFE樣品對偶件表面無轉移膜分布,且高度范圍相比較其他5組最小;Si3N4質量分數為5%～25%的復合材料均可在對偶面形成轉移膜,但高度形貌各不相同;Si3N4質量分數為5%時,形成島狀轉移膜,覆蓋面積較小。隨著Si3N4質量分數的增加,轉移膜逐漸呈現出平行于運動方向的分布形式,Si3N4質量分數對復合材料磨損率的影響與其影響轉移膜的形貌有密切關系。

圖3 不同Si3N4質量分數下的對偶面轉移膜高度

2.2 轉移膜形貌與磨損率的定量關系

2.2.1 轉移膜厚度與磨損率的關系

轉移膜平均厚度和最大厚度與復合材料的磨損率變化規律如圖4所示。由圖4a可知,僅在Si3N4質量分數為10%～20%時,轉移膜平均厚度與磨損率呈現一定的規律性,隨平均厚度的減小復合材料的磨損率也隨之減小;由圖4b可知,復合材料轉移膜最大厚度與磨損率之間存在明顯的規律性,最大厚度的變化趨勢與磨損率的變化趨勢一致。

圖4 轉移膜膜厚與磨損率的關系

為了對2種轉移膜厚度與磨損率之間的關系進行定量表征,對兩者進行擬合,擬合函數關系式為:

Wr∝A+Bt+Ct2

(4)

其中:Wr為磨損率;t為轉移膜厚度。

擬合結果如圖5所示。

圖5 轉移膜厚度與磨損率擬合關系

由圖5可知,采用最大厚度與磨損率進行擬合的擬合度(R2=0.94)遠大于采用平均厚度進行擬合的擬合度(R2=0.24),這說明在Si3N4/PTFE復合材料中轉移膜的最大厚度與復合材料的磨損之間具有更好的相關性,這與之前的研究相符合[21]。原因在于對偶件表面的轉移膜在高度上的分布并非均勻, Si3N4質量分數為15%時的轉移膜圖像如圖6所示,圖6a光學圖并不能觀測到轉移膜高度上的差異,而通過圖6b則可以更好地觀測到這種不均勻性。當形成穩定的轉移膜后,試樣與對偶面接觸并相對運動時最大厚度越大的轉移膜最先受到剪切力的作用,脫落和形成的速度高于最大厚度較低的轉移膜,因此轉移膜最大厚度與復合材料磨損率之間有較好的相關性。

圖6 轉移膜形貌

2.2.2 轉移膜覆蓋率與磨損率的關系

覆蓋率作為轉移膜形貌的另一個量化指標,覆蓋率隨Si3N4質量分數的變化如圖7所示。

圖7 轉移膜覆蓋率與磨損率隨Si3N4質量分數的變化

復合材料磨損率與轉移膜覆蓋率之間成反比關系,同樣對兩者關系進行擬合,擬合函數關系式如下:

Wr∝A+BCr

(5)

其中:Wr為磨損率;Cr為轉移膜覆蓋率。

擬合結果如圖8所示,由圖8可知,覆蓋率與磨損率之間同樣具有良好的關聯性,其擬合度R2=0.84,隨轉移膜覆蓋率的增加,復合材料的磨損率減小。

圖8 轉移膜覆蓋率與磨損率擬合關系

通過上述分析可知,轉移膜最大厚度與覆蓋率均對Si3N4/PTFE復合材料磨損率有良好的擬合效果,為探究最大厚度和覆蓋率兩者在影響復合材料磨損率方面是否起主導作用,對前文所述擬合函數進行微分,分析復合材料磨損率隨轉移膜最大厚度及覆蓋率的變化趨勢,通過對式(4)微分可知隨轉移膜最大厚度的增加,磨損變化率也增加,轉移膜最大厚度的改變對Si3N4復合材料磨損率的影響越來越大,由于式(5)為線性函數,微分結果為恒定值,可知隨轉移膜覆蓋率的改變對Si3N4/PTFE復合材料磨損變化率的影響保持同一水平。當轉移膜最大厚度為0.319 μm時,單位厚度改變對復合材料磨損率的改變量絕對值為2.09×10-5,與轉移膜覆蓋率對復合材料磨損率的改變量絕對值相同;轉移膜厚度小于0.319 μm時,覆蓋率的增加對降低復合材料的磨損起主導作用;轉移膜最大厚度大于0.319 μm時,其最大厚度的增加對提高復合材料磨損起主導作用。磨損率與轉移膜最大厚度之間呈規律性的原因在于以下2個方面:① 最大厚度越大的轉移膜在復合材料與對偶件相對運動過程中會承受相對較大的剪切力,從而導致轉移膜形成-脫落周期縮短,磨損率也隨之增加;② 厚度越大的轉移膜意味著由基體轉移到對偶件的復合材料體積越多,磨損也就越大。磨損率轉移膜覆蓋率之間呈現規律性的原因在于覆蓋面積大的轉移膜會更有效地隔絕金屬對偶件與復合材料的直接接觸從而降低磨損。

3 結 論

Si3N4/PTFE復合材料在Si3N4填充質量分數為5%～25%范圍內均能在對偶面形成轉移膜。在Si3N4質量分數為20%時,復合材料磨損率降至最低,為1.09×10-6mm3/(N·m)。

對轉移膜最大厚度、平均厚度與磨損率的定量表征結果顯示,轉移膜最大厚度與復合材料磨損率具有強相關性:隨轉移膜最大厚度的增加,復合材料的磨損率也隨之增加;轉移膜覆蓋率同樣與磨損率之間有較好的相關性,隨轉移膜覆蓋率的增大,復合材料的磨損率隨之減小。

轉移膜最大厚度和覆蓋率在不同階段對復合材料磨損率的影響效果不同。當轉移膜最大厚度小于0.319 μm時,覆蓋率的增加對降低復合材料的磨損起主導作用;當轉移膜最大厚度大于0.319 μm時,其最大厚度的增加對提高復合材料磨損起主導作用。