浅析碳纳米管改性聚四氟乙烯材料的滚动磨损性能.docVIP

浅析碳纳米管改性聚四氟乙烯材料的滚动磨损性能 　　聚四氟乙烯(PTFE)具有很高的耐腐蚀和耐热性能，是性能优良的自润滑材料，在无油润滑干摩擦场合中，作为减摩部件已获得广泛应用。但其存在硬度低、易蠕变、耐磨性较差等缺点，需改进不足，现已采用的有玻璃纤维、石墨、MoS2、碳纤维及青铜粉等填充PTFE对其进行改性。碳纳米管(CNTs)是直径为1～100nm，长度为微米级的一维纳米材料，按照壁层数分为单壁、双壁和多壁型，研究403发现它能改善材料的磨损、摩擦、导电性、强度和韧性等;另外，CNTs均匀有效地分散在聚合物基体中可以降低表面能，提高与基体的亲和作用，它在聚合物基体中的分散程度与复合材料的最终性能密切相关，是复合材料制备过程中一个关键环节。为了得到均匀分散CNTs改性的复合材料必须满足：打散CNTs的团聚状态或剪短较长CNTs保持有效的长径比。通常采用化学法和物理法做CNTs的表面处理改性。Chen等用体积分数为2.5%～30%的多壁碳纳米管(MWCNTs)和PTFE原料在丙酮溶液中经超声波混合后，冷压烧结制成改性PTFE材料，结果发现该复合材料的耐磨性很高。夏军宝等用MWCNTs和PTFE原料冷压烧结制成改性PTFE 材料，结果发现该复合材料中MWCNTs体积分数为15%～20%时磨损率仅为纯PTFE的1/240～1/290。曲建俊等用超声波和高速机械搅拌手段，研究不同质量分数MWCNTs来改性PTFE的摩擦磨损性能的影响，发现MWCNTs能够提高PTFE复合材料的硬度和冲击强度，当MWCNTs质量分数为10%时，材料的耐磨损性能最佳。Shi等采用质量分数为2%的碳纳米管纤维来填充改性PTFE材料，结果发现在200N载荷下，经硝酸表面处理纤维改性PTFE材料的耐磨损提高了30%。Vail等采用单壁碳纳米管(SWCNTs)改性PTFE制成的材料，在质量分数大于2%时耐磨性大幅度提高，并探究了材料的磨损机理。Zhang等采用修饰和未修饰的两种质量分数均为1%MWCNTs作为填料来改性棉/PTFE混合纤维材料，并对比了这两种材料的摩擦特性，修饰过MWCNTs的分散使得PTFE耐磨效果更佳。已有的这些研究采用CNTs来改性PTFE以减少材料磨损和提高耐磨特性，同时推测了CNTs在摩擦磨损过程中的作用和改性机理。但对于是否可以减小复合材料的滑动摩擦系数特性方面有着不同的试验数据，特别是Chen等认为CNTs有自润滑效果，所以存在滑动摩擦系数测试值变小的情况，而有的研究表述为滑动摩擦系数略微增大的情况。但鲜有报道是针对滚动摩擦方式的试验和其磨损形式特点。 　　本文采用不同表面处理、不同质量分数的MWCNTs填充改性的PTFE材料，用滚动磨损试验机(可变负载能力和可选滚动轮材质)测试研究。为方便研究环境因素对材料特性的影响，选用在温度为16℃和32℃时，分别测定纯PTFE和MWCNTs填充改性后的复合材料在光滑表面钢轮和模拟硬质磨粒状态下的滚动磨损率，同时结合磨屑形式和大小，分析改性的PTFE材料的摩擦磨损特性状态变化的原因。 　　1　样品制备及测试装置 　　1.1　原料和样品制备 　　本文分别取质量分数为1%、2%、4%和6%的MWCNTs添加到PTFE中，采用粉末冶金法(冷压粉末，随后进行烧结)。制备直径120mm、厚度2.5mm 的试验样品供性能对比。制作工艺如图1所示：第I段，以1.1℃/min从100℃升到330℃预热;第II段，在烧结之前的330℃，保温一段时间(升温时间);第III段，以0.67℃/min升到370℃;第IV段，在370℃时烧结一段时间(烧结时间);第V 段，在烧结后以0.67℃/min降到330℃;第VI段，在330℃保温一段时间(降温时间);第VII段，保温后冷却(随炉冷却)。 　　1.2　可变负载滚动磨耗测试装置及连续滚动磨损时的测温方法 　　本文采用的测试装置符合ISO　9352标准要求，其原理结构如图2：以中心轴转动的水平圆盘，半径为50mm，转速为60r/min。且在半径为45mm圆周上的任一点的垂直方向上跳动不超过0.05mm。自由转动的一对圆柱磨轮安装在水平悬臂上、且同轴，每个安装臂上可放砝码载荷，单个磨轮载荷范围为5～100N。 　　试验用的钢轮为C45钢，摩擦表面的粗糙度(Ra)为0.8，每次试验前用丙酮溶液清洗，并用800目(18mu;m)的砂纸轻微打磨。当采用模拟磨粒磨损时，采用200目(75mu;m)的金刚石砂纸贴附在钢轮表面。 　　测试滚动的磨损率(Delta;V)的计算公式如下：Delta;V =Delta;m/(rho;·L·S) (1)式中，rho;为材料的密度(mm3/g);Delta;m 为材料测试前