高性能耐高温聚合物复合材料的摩擦磨损性能研究
第1期高分子通报
高性能耐高温聚合物复合材料的摩擦磨损性能研究
邓鑫1,李笃信卜,杨军2,王静2
(1中南大学粉末冶金研究院国家重点实验室,长沙410083;
2株洲时代新材料科技股份有限公司,株洲412007)
摘要:介绍了一些常见的高性能耐高温聚合物及其复合材料的摩擦与磨损性能的研究及其新进展,包括聚
四氟乙烯(P11FE)、聚醚醚酮(PEEK)、聚苯硫醚(PPS)、聚酰亚胺(PI)等。并讨论了不同种类的填料,如纤维、固体
润滑剂、无机化合物以及无机纳米粒子对高性能耐高温聚合物基复合材料摩擦系数及磨损率的影响,许多研究
结果表明,适量填料的加入能提高聚合物基复合材料的耐磨性能,特别是填料的协同作用对降低复合材料的摩
擦系数及磨损率有更大的帮助。
关键词:高性能;耐高温聚合物基复合材料;摩擦;磨损
聚合物基耐磨复合材料是以热塑性或热固性树脂为基体,通过添加有机或无机的减摩组分以及抗磨增强组分而呈现良好的耐磨性能。世界上最早的聚合物基耐磨复合材料是填充石墨的酚醛树脂和可浸渍含油的多孔酚醛树脂。其后,随着高分子化工技术的不断进步,新型合成树脂尼龙(PA)、聚四氟乙烯(PTFE)、聚甲醛(POM)、聚酰亚胺(PI)以及环氧树脂基的减摩复合材料也相继被开发。采用聚合物为基体的耐磨复合材料具有减摩自润滑、耐磨、耐腐蚀、减震吸振、减低噪音、相对密度小、比强度和加工简便等系列优良特性,因此,作为其它材料的替代产品或换代产品获得了越来越多的应用。
随着尖端技术的迅速发展,对耐磨减磨材料的要求越来越高。如要求制作在高温、高速、高真空及辐射环境中工作的摩擦零部件,一般工程聚合物就很难胜任。为了提高摩擦材料的使用温度,延长摩擦材料的使用寿命,大量研究工作集中在耐热性聚合物基体的复合材料上l“。高性能耐热性聚合物为基体的耐磨复合材料,与金属材料相比,具有耐高温性能好、化学性质稳定、抗腐蚀能力强、消声减震效果显著、维修保养方便等优点。这类材料通常以耐热性好、本身具有一定自润滑能力的聚合物作为基体,向其中加入一种或多种固体润滑剂及其它改性增强剂而制成,可以用来制作耐磨的零部件(如轴承、齿轮、活塞环和滑动导轨等),在航空、航天、机械、电子等领域作为摩擦件广泛使用比。。通常的高性能耐热性聚合物主要有聚四氟乙烯(PrI’FE)、聚醚醚酮(PEEK)、聚苯硫醚(PPS)、聚酰亚胺(PI)、耐高温环氧树脂等。本文将系统地介绍常用的高性能耐热性聚合物基复合材料摩擦与磨损性能的研究进展。
1高性能耐热性热塑性聚合物
1.1聚四氟乙烯(PTFE)
聚四氟乙烯(胛FE)被誉为“塑料王”,是一种重要的热塑性塑料,也是当前国内外广泛使用的工程塑料之一。在所有的工程塑料之中,PTFE具有最低的摩擦系数,最高的使用温度区间以及最低的表面能,在摩擦与磨损领域中有着十分特殊的地位。
为改善阴FE的摩擦学性能,人们用不同种类的填料对胛FE进行填充改性,并对胛FE基复合材料的摩擦磨损性能进行了研究,在此基础上开发出一系列胛FE基减摩、抗磨复合材料。Tanaka等b1进行了玻璃纤维(GF)、青铜(Bronze)、ZrO:、TiO:、MoS:、石墨(Graphite)等不同填充物改性PTFE耐磨性能的研究。作者简介:邓鑫(1981一),女,在读博士,从事高分子复合材料及成型研究;*联系人,E—mail:liduxin6404@yahoo.com.
高分子通报2008年1月
胛FE基复合材料的摩擦系数受滑动速度的影响较少。在载荷10N下,除ZrO,一阴FE外,随着滑动速度的增加,大多数改性PTFE复合材料的摩擦系数与未填充PTFE的相近,在0.2~0.3范围之内变化。当载荷增加到50N时,wFE复合材料的摩擦系数随着载荷的增加而减少。因为载荷增加后,聚合物与对磨面的接触面积增大,生热大,增加了聚合物的粘附能力,更容易产生转移膜,形成了聚合物与聚合物之间的摩擦从而减小了摩擦系数。
近年来,许多研究工作者也进行了门FE基复合材料的研究。Zhang等¨1发现,在相同的含量下,不同的填料(cu、Pb、Ni、SiC、Si。N4等)对PTFE的摩擦磨损性能的影响差别很大,cu的填充性能最好。唐炜等∞。和赵安赤等№。研究发现液晶材料能很好的提高胛FE的耐磨损性能。
王乙潜等…认为,滑移速度对盯FE复合材料的磨损和摩擦的影响主要表现在它对界面温度的贡献,当超过临界的界面温度(靠近软化温度)时,磨损很快。Zhang等旧。对PTFE复合材料在不同介质中的摩擦磨损性能作了比较后认为,介质的存在大大改善了复合材料的摩擦学性能。
人们对影响盯FE复合材料摩擦学性能的内部因素也进行了研究。Durand等19o研究证明,随门FE基体中第二相陶瓷颗粒粒径的增大,复合材料的耐磨性能增强。何春霞等n们进行了纳米Al,0,填充PTFE基复合材料的摩擦磨损性能的研究,随填料含量的增加,胛FE基复合材料的耐磨性能提高,同时摩擦系数有所增大。
1.2聚醚醚酮(PEEK)
聚醚醚酮(PEEK)是一种半晶体热塑性聚合物,具有优异的机械性能及耐热和耐化学性能,作为高性能复合材料的基体,在工程中得到广泛应用。PEEK因韧性好、蠕变率低且耐高温成为轴承、齿轮、活塞环和柔性密封等部件。11|。PEEK在光滑对偶面上和粗糙对偶面上的磨损率很低。1“。但当PEEK在铁金属对偶面上高速滑动时,将产生塑性变形,并在某一临界温度或热量耗散率下,摩擦功耗上升极快,同时摩擦对偶部件发生严重的化学和机械破损,从而不能在实际中实现其高性能¨3|。为了进一步提高PEEK的摩擦学性能,将PEEK与其它聚合物共混或采用碳纤维(CF)、玻璃纤维(GF)、无机纳米粒子等复合增强,已成为制备摩擦学性能和力学性能更优异的PEEK复合材料的首选。
Stuart等儿4。研究了PEEK与其它聚合物共混时的摩擦磨损性能。在温度比较高的使用环境中,PEEK具有很好的摩擦学性能,特别是其与PI、盯FE以及某些液晶高分子材料的共混物,性能更好。Lu等¨5。研究了PEEK短切碳纤维增强复合材料的摩擦磨损性能。在较宽的温度变化范围内,短切碳纤维的加入不仅改善了PEEK的磨损状况,而且降低了其摩擦系数,然而当其体积含量超过20%时容易导致粘滞滑动行为,特别是当测试温度较高(如220℃)时更易发生。在PEEK中加入固体润滑剂粒子如CuS、wFE和MoS:等粒子也可明显提高PEEK复合材料的摩擦学性能。Voort等¨61研究发现,当CuS粒子的体积分数为35%时,PEEK复合材料的磨损率是PEEK的1/6。但加入CuS也会使复合材料的摩擦系数上升,因为较硬的CuS粒子加入较软的PEEK中增加了犁耕效应。Lu等。171的研究表明,在PEEK中加入PTFE能有效减小材料的摩擦系数,当盯FE的体积分数为15%时,PEEK/PTFE复合材料的摩擦系数达到最低值。其复合材料的磨损率也低于纯PEEK的磨损率,因为胛FE自身就具有优良的润滑性能。Wang等H副研究了纳米SiC改性PEEK的摩擦学性能,研究发现,纳米SiC的加入降低了复合材料的摩擦系数,并且纳米SiC的含量在2.5%~10%时,能更加有效地减低复合材料的磨损率。
在填料增强改性聚合物摩擦学性能过程中,不同填料的混合产生协同效应,使复合材料具有更加优异的摩擦磨损性能。VandeVoort0191和Wang等心0。把PTFE粉末分别与CuS和纳米SiC混合加入到PEEK基体中发现,在PEEK/PTFE/CuS体系中,wFE将减少复合材料的摩擦系数和磨损率,但在PEEK/PTFE/纳米SiC体系中的情况相反,可能是因为纳米SiC与PTFE之间发生了化学反应。Han等。“。把P11FE、CF、石墨加入到PEEK中,研究了复合材料的摩擦磨损性能,在PEEK/PTFE/CF/石墨体系中,不同填料在有效的含量范围内能很大程度的改善PEEK复合材料的摩擦学性能。
PEEK复合材料的摩擦系数低、耐磨性好、承载啮合性好,是一种良好的摩擦材料122|。但由于PEEK本身的价格高且成型加工困难,在普通的工程应用中受到了很大的限制胆3|。
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1.3聚苯硫醚(PPS)
聚苯硫醚(PP¥)是目前生产规模最大的一种耐高温热塑性特种工程塑料。PP¥的突出优点为耐高温、耐腐蚀、耐辐射、不燃、无毒、机械性能和电性能十分优异,制品的尺寸稳定性好,用途十分广泛m埘]。由于PPS对石墨、玻纤、炭黑、陶瓷和金属等有较好的润湿作用和粘结性,通过添加摩擦改性填充剂改善PPS的摩擦行为是常用而有效的方法,这类填充剂主要有固体润滑性物质、陶瓷颗粒以及其它金属粉末等瞳6’27|。改性后的PPS作为摩擦材料,具有耐磨性好、加工性好、耐热高、对填料的粘接力强、力学性能优良等特性。
佟伟等12引考察了聚四氟乙烯(PTFE)、纳米无机粒子及不同含量和粒度的石墨填充改性聚苯硫醚(PPS)复合材料的摩擦磨损性能。石墨的添加有利于在对摩面上形成转移物,而且随着石墨含量的增加,材料的摩擦系数明显降低,但磨耗量却有所升高,而石墨的粒度变化对材料的摩擦性能没有太大的影响;当明FE和石墨两种固体润滑剂同时加入时,材料的力学强度有所降低,但其摩擦系数及磨耗量都得到明显改善,材料以疲劳磨损为主;纳米无机粒子的加入会使材料的磨耗量有所增大,其磨损机理转变为磨粒磨损。Bahadur等。29。研究了纳米TiO:、ZnO、CuO以及SiC填充PPs的摩擦学性能。纳米粒子的加入降低了PPS复合材料的摩擦系数,其主要原因是转移膜与对偶件具有很强的相互作用;纳米TiO,、CuO的加入降低了PPS复合材料的磨损率,其最优含量为2v01.%,而填充ZnO和SiC却使复合材料的磨损率上升。Cho¨0。等研究了纳米CuO填充、纤维(CF和Kevlar)增强PPS复合材料的摩擦磨损性能。PPS/CuO体系中发现,填料的加入对复合材料的摩擦系数没有影响,而PPS/Kevlar体系的摩擦系数是PPS/CF的一半;当用纳米CuO以及纤维同时加入到PPS中时,其体系能得到最低磨损率。同样,他D川还研究了MC(MoS,,SiO:,CuS,A1:O,的混合物)填充PPS的摩擦行为,MC的加入降低了PPS的磨损率,而当在PPS/MC体系中加入PTFE后,在测试条件下,PPS/MC/PTFE体系的摩擦系数的变化范围只有0.27。0.33,而且能得到最低的磨损率。
PPS复合材料的应用广泛,用于制作原子能、航空航天、汽车工业、医疗器械、运动器械和电子机械等方面的零部件。但是,由于它的熔点过高,使得复合材料的成型困难,因此限制了其在摩擦领域中的使用㈨。
1.4聚酰亚胺(PI)
聚酰亚胺(PI)是20世纪50年代发展起来的一类具有十分稳定的芳杂环结构单元的耐热性高分子材料,在耐高温的工程塑料中,它是最有价值的品种之一。PI由于具有突出的热稳定性、机械性能、抗辐射和耐浴剂性能,并且在高温、高低压和高速等极端环境下有很好的摩擦磨损性能,是一类很有潜力应用于摩擦学《jf{域中的基体材料。因此,近三十年来,对各种PI的摩擦学特性研究日益受到国内外学者的广泛关注‘蚓。
PI及其复合材料已经广泛应用在摩擦学系统的各个领域,如被用作各种轴承、齿轮、密封件、摩擦副和各种摩擦片。特别在真空的环境中,PI表现出优异的摩擦磨损性能,使其在航空航天领域的应用非常成功,如Vespel—PI复合材料已被制成各种齿轮在宇宙空间中使用。这类材料易于机加工,表面容易刨光而适合做精密轴承。在机械工业中PI复合材料可用作轴承保持架、轴承搅拌器轴、医疗器件零部件和食品加工机械,在汽车工业中用作离合器滑动材料、压缩机密封材料等∞“。
Czichos等对比了PI、PTFE、PA三种聚合物的耐磨性能,发现纯PI的摩擦系数和磨损率较大,纯PI不适宜单独作为摩擦材料使用b“。因此在实际使用过程中通常通过材料的复合化来提高PI的摩擦学性能。填料的特性对PI基复合材料摩擦学性能的影响很大。通常,填料的加入会不同程度地改善聚合物的摩擦学性能,但也会影响其力学性能。填料在复合材料摩擦学行为研究中的应用一直是研究的热点,因此研究填料对PI基复合材料摩擦学性能的影响以及各种填料的作用机理,对提高PI基复合材料的摩擦学性能,推动PI基复合材料的研究、应用和发展,有十分重要的意义b6|。
纤维具有很高的强度和刚度,可以增加PI的机械性能。目前用于聚合物增强改性的纤维主要有碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维和各种晶须。陈震霖等b71采用不同特性玻璃质刚性填料(玻璃纤维、玻璃纤维
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粉、5“m和20/-m玻璃微珠)填充改性热塑性聚酰亚胺(TPI),大尺寸填料的单位个体与基体的界面面积和结合强度大于小尺寸填料,其磨损率比小尺度填料的复合材料低。汪晓东等。3副考察了短切碳纤维(CF)增强热塑性聚酰亚胺(PI)复合材料的力学性能和摩擦磨损性能,适量碳纤维的加入可以有效改善材料的摩擦磨损性能,其中10%碳纤维填充PI摩擦因数为0.12,仅为纯PI的44.4%,但随cF含量进一步增大,摩擦因数趋于稳定;材料磨损率随cF加入下降了一个数量级。除了传统的增强纤维外,晶须具有很好的热稳定性和尺寸稳定性,作为一种高性能增强剂也开始应用在PI的改性中。晶须可提高材料的强度、热稳定性,改善材料的摩擦性能b…。
Sheiretov等㈨o研究了低温下在PI中添加WFE、石墨、MoS,三种固体润滑材料减磨效果,发现由于PTFE内聚能低,容易形成转移膜,因此有很好的减磨效果,而MoS,在有氧的环境中减磨效果很差,在真空中和惰性气氛中有很好的热稳定性和摩擦性能。4¨。Westml研究发现15%石墨的PI复合材料的磨损率只有含15%MoS的PI复合材料的l/3。这不仅在于石墨的低摩擦磨损性,还因为石墨可有效地导出摩擦中产生的摩擦热,阻止PI的氧化或降解。黄丽。43。等用模压成型法制备了PI/PTFE,PI/PTFE/石墨两种复合材料,研究了材料的力学性能、摩擦性能,并进行了微观结构分析。试验结果表明,少量石墨的加入,并未使复合材料的摩擦性能有所提高,反而使冲击强度及布氏硬度下降,而PTFE的加入,可使复合材料的摩擦性能有较大幅度的改善。当PTFE的含量为10%~20%时,PI/PTFE复合材料与PI/PTFE/石墨复合材料的摩擦系数都有很大程度的降低,之后,摩擦系数不再随PrllFE含量的增加发生显著的变化。Jia等Ⅲ。研究了在干摩擦及水润滑条件下,PI/SCF/固体润滑刹复合材料的摩擦磨损性能的比较,研究发现,在水润滑条件下,该体系的摩擦磨损性能优于在干摩擦环境下,这是水吸收层边界润滑的作用。
无机填料改性聚合物基复合材料的摩擦磨损性能,一直是复合材料摩擦学研究的一个重要方面。无机化合物一般可以改变复合材料的热传导系数,从而提高聚合物的耐磨性。在双马来酰亚胺(BMI)中加入氧化铜粉能改善复合材料的摩擦性能,使摩擦稳定,而且还可以提高摩擦副的耐磨性。随氧化铜用量增加,摩擦副的耐磨性增加。分析表明氧化铜的加入促使BMI在对偶铝环表面形成牢固的转移膜,转移膜减小铝环的磨损,同时抑制了BMI复合材料的磨损¨5]。曲建俊…1在研究氧化铜和硅灰石两种元机填料对双马来酰亚胺与硬铝合金对磨的摩擦学性能的影响时发现,随氧化铜用量增加,滑动副的摩擦系数和耐磨性均增加,随硅灰石用量增加和粒径减小,滑动副的耐磨性提高,摩擦系数减小。PrFE与sa共同填充BMI,不仅能进一步降低复合材料的摩擦系数和磨损量,而且能有效地抑制对偶件上的划伤。
同样,纳米粒子用来改善PI复合材料的摩擦磨损性能的研究日益成为热点。Yan等H7。研究了纳米Al,n填充改性PI的摩擦学性能,研究发现,当纳米粒子的含量在3.0%。4.O%时,PI/A1:O,纳米复合材料呈现较低的摩擦系数和磨损率。他日引还研究了PI/CNT纳米复合材料的摩擦磨损性能,CNT的加入能有效提高材料的力学性能,增强抗磨能力。
2高性能耐热性环氧树脂
环氧树脂(epoxy)是一种在涂料、胶粘剂、复合材料等领域应用较广泛的热固性高分子材料,其固化物具有高强度、高模量、优良的尺寸稳定性及耐腐蚀性等优点。然而,由于三维交联网络的结构特点所限,环氧树脂的摩擦磨损性能较差,通常需要与其它无机填料复合才能获得良好的减摩耐磨效果。近年来无机纳米粒子在高分子材料改性方面的应用成为一个研究热点。
Larsen等㈨o利用GF及CF/Aramid编织纤维改性环氧树脂的摩擦磨损性能,并作了比较,它们都能提高复合材料的耐磨性能,但epoxy/CF/Aramid的抗磨损性能更优于epoxy/GF复合材料。Vasconcelos等"叫研究了环氧树脂、环氧树脂/Al粉、环氧树脂/A1粉/纤维三种体系的在室温和160。C时的摩擦磨损性能,当加入填料后,复合材料的摩擦系数不管在室温还是在160。C条件下,其变化范围很小,并趋于稳定。Zhang等b门考察了碳纳米管增强环氧树脂的摩擦磨损性能,研究发现,碳纳米管的Rd。是影响其性能的重要因素,当R幽>25%时,复合材料的磨损率降低,这主要是因为碳纳米管在摩擦过程中迁移到复合材料的表面,起到了保护环氧基体的作用。同样,石光等¨20研究了纳米A1203填充环氧树脂复合材料的摩擦学性
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能,结果表明,经过表面化学接枝处理后,少量的纳米A1:0,(体积分数约O.24%)可大幅度提高环氧树脂的摩擦磨损性能,起到显著的减摩和耐磨作用。还有文献报道‘53|,短碳纤维、Aramid纤维以及盯FE的添加对环氧树脂,纳米TiO:复合材料的摩擦磨损性能的影响,少量门FE的加入对纤维增强环氧树脂/纳米TiO:复合材料的摩擦磨损性能有很大的改善。
3结束语
本文有选择的讨论了高性能耐高温聚合物及其复合材料的摩擦与磨损性能。各种填料,包括纤维,固体润滑剂,无机化合物以及无机纳米粒子对提高聚合物的力学性能及耐磨性能非常有效。而值得关注的是,填料的协同作用对减低高性能耐高温聚合物的摩擦系数及磨损率有更大的帮助。就目前的研究现状,对高性能耐高温聚合物及其复合材料的摩擦学行为应在以下几方面展开:(1)高性能耐高温聚合物的摩擦磨损性能的提高关键在于基体材料,如将功能结构引入先进高温材料中,研究和开发高温功能材料;(2)研究填料与高性能耐高温基体材料的界面特性、粘结性,考察其对摩擦磨损性能的影响;(3)高性能耐高温聚合物之间以及与其它热塑性、热固性聚合物的共混研究,以及在共混体系中填料的加入对复合材料的摩擦磨损性能的影响;(4)将纳米技术引入高性能耐高温聚合物材料的研究;同时还考察纳米粒子与其它填料之间的协同作用,在研究聚合物的摩擦磨损机理的基础上,研究其复合材料的摩擦磨损机理,建立能被公认的摩擦磨损模型;(5)环境条件及对偶材料对高性能耐高温聚合物复合材料的影响(6)开发高性能耐高温功能聚合物复合材料,如聚合物/金属复合材料等,并研究这些材料的摩擦学特性及它们在摩擦学工程中的应用。
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andhighTemperaturePolymerComposites
DENGXinl,LIDu.xinl,YANGJun2,WANGJinf
(’StateKeyLaboratoryofPowderMetallurgy,CentralSouthUnivenity,Hu’船nChangsha410083,China;
2ZhuzhoMTimesNeⅢMaterialTechnologyCo.LTD。Hu’nanZhuzhou412007.China)
Abstract:Thedevelopmentofresearchonfrictionandwearofhighperformanceandhightemperaturepolymercompositeswereintroducedinthispaper,includingpolytetrafluoroethylene(PTFE),poly(etheretherketone)(PEEK),p01yphenylenesulphide(PPS),polyimide(PI).Theeffectsofdifferentfillersonfrictioncoefficientandweal"rateofpolymercompositeswerediscussed,suchasfibers,solidlubricant,inorganiccompoundandnano—particles.Theresultsshowthatthefillerscanimprovetribologicalpropertiesofpolymer.AndtheinteractioneffectofdifferentfillersCaneffectivelyreducefrictioncoefficientandweal"rateofthecomposites.
Keywords:Hi【ghperformance;Hightemperaturepolymercomposites;Friction;Wear
高性能耐高温聚合物复合材料的摩擦磨损性能研究
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刊名:
英文刊名:
年,卷(期):
被引用次数:邓鑫, 李笃信, 杨军, 王静, DENG Xin, LI Du-xin, YANG Jun, WANG Jing邓鑫,李笃信,DENG Xin,LI Du-xin(中南大学粉末冶金研究院国家重点实验室,长沙,410083), 杨军,王静,YANG Jun,WANG Jing(株洲时代新材料科技股份有限公司,株洲,412007)高分子通报CHINESE POLYMER BULLETIN2008,""(1)0次
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格伦研究巾心的结构与材料部致力于为未来的航天推进和发电系统(如计划为新的运载火箭上面级和货运飞船离地级供能的J-2X发动机)开发先进的耐高温材料及其制造工艺.聚合物分部隶属于这个结构与材料部,专门开发高性能材料,如用来制备耐高温聚合物基复合材料的聚合物基体材料,用于高温或者低温环境的纳米复合材料,耐用的气凝胶,碳纳米管的纯化和官能化及其在复合材料中的应用,材料、生物系统和丁艺的计算机建模,以及南聚合物衍牛的分子传感器等.总的来说,该分部主要制造高性能材料,以减轻太空任务部件和航空发动机部件的重量,提高部件的性能.
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