碳纳米管改性聚四氟乙烯复合材料的摩擦磨损性能研究_曲建俊

第25卷　第4期2005年7月

摩擦学学报

TR I BOLO GY

V o l 25, 　N o 4

July , 2005

碳纳米管改性聚四氟乙烯复合材料的

摩擦磨损性能研究

曲建俊, 李显凌, 宋宝玉

(哈尔滨工业大学机电工程学院, 黑龙江哈尔滨　150001)

摘要:评价了用不同含量碳纳米管(CN T s ) 改性聚四氟乙烯(PT FE ) 复合材料的力学性能, 利用MM 2200型摩擦磨损试验机研究了CN T s 含量对PT FE 复合材料摩擦磨损性能的影响, 借助于扫描电子显微镜观察分析了试样磨损表面及磨屑形貌, 并探讨其磨损机理. 结果表明:CN T s 能够提高PT FE 复合材料的硬度和冲击强度, 在本文研究范围内, 当CN T s 的质量分数为7%时, PT FE 复合材料的力学性能最佳; CN T s 能够增加PT FE 复合材料的摩擦系数、降低其磨损量, 当其质量分数为10%时, PT FE 复合材料的耐磨损性能最佳. 纤维状碳纳米管可以阻止PT FE 带状结构的大面积破坏, 要原因.

关键词:碳纳米管(CN T s ) ; 聚四氟乙烯(PT FE ) 复合材料; 中图分类号:O 632. 12; TH 117. 3

::100420595(2005) 0420333205

　　利用纳米材料(3纳米Si O 2T i O 2Si 3N 4、

等) , 并取得了可喜成果[1～5]. 其中碳纳米管(CN T s ) 是最富特征的一维纳米材料, 其长度为微米级, 直径为纳米级, 具有极高的长径比(一般大于1000) 和超强的力学性能, 其应用已涉及到纳米电子器件、催化剂载体、电极材料、储氢材料和复合材料等诸多领域[4, 5]. 目前, 碳纳米管在聚合物中的应用主要集中在导电聚合物和光电聚合物的改性中[6].

PT FE 是1种最常用的自润滑材料, 其具有摩擦系数低、耐高低温、有极优异的介电和电绝缘性、化学稳定性好和阻燃等性能, 但其硬度低且耐磨性差. 通常采用玻璃纤维、石墨、炭纤维及青铜粉等填M oS 2、充PT FE [7～10]. 随着科学技术发展和PT FE 应用日益增加, 人们也在探索新的改性填料, 如纳米材料[11]和热致液晶高分子材料[12]等. 然而, 关于碳纳米管对

. 本文作者研究碳纳米管PT FE 的改性效果研究较少

填充PT FE 复合材料的力学和摩擦磨损性能, 探讨碳纳米管的改性机理, 为制备新型PT FE 复合材料提供理论依据.

1　实验部分

1. 1　原材料

PT FE 粉为白色粉末, 平均粒径25Λm , 为四川

晨光化学工业集团生产. 碳纳米管为多壁碳纳米管, 呈黑色粉末状, 直径10～40nm , 长度150～200Λm , 纯度>95%, 为广州亿安新能源公司生产. 1. 2　样品制备

将碳纳米管按质量分数分别为0. 1%、0. 3%、1%、3%、5%、7%和10%添加到PT FE 中. 为了保证碳纳米管在PT FE 中达到纳米尺度分散, 先在无水乙醇和丙酮混合液中用超声波和高速机械搅拌使两者充分混合, 然后加热使乙醇和丙酮完全挥发, 再将混合后的碳纳米管和PT FE 置于模具中冷压成型, 经375℃烧结后得到复合材料试样, 每种复合材料各制备3件, 单件规格均为6mm ×10mm ×90mm 以供试验使用. 同时制备相同规格的纯PT FE 试样3件用于性能对比试验. 1. 3　实验方法

冲击强度试验按照GB 5765286在XCJ 240型简支梁式摆锤冲击试验机上进行, 冲击能量为4J . 按照

基金项目:哈尔滨工业大学跨学科交叉性研究基金资助项目(H IT . M D 2002. 08) ; 哈尔滨市学科后备带头人基金资助项目(2002A FXXJ 047) . 收稿日期:2004209229; 修回日期:2005202210 联系人曲建俊, e 2m ail :qujianjun @h it . edu . cn .

作者简介:曲建俊, 男, 1962年生, 博士, 教授, 博士生导师, 目前主要从事超声马达摩擦学及其摩擦材料等研究.

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. GB 5766286采用HR 150型洛氏硬度计测量其硬度

采用MM 2200型摩擦磨损试验机(按照GB 3960283)

2　结果与讨论

2. 1　力学性能

评价其摩擦磨损试验, PT FE 复合材料试样和偶件45#钢环表面均经过1200#砂纸抛光, 表面粗糙度R a

为0. 2Λm , 所用转速为200r m in , 载荷98N , 摩擦时间30m in , 在干摩擦滑动条件下测定试样的摩擦系数和磨损量. 采用光学显微镜和日立X 2650型扫描电子显微镜(SE M ) 观察试样和偶件钢环的表面形貌并分析其磨损机理.

碳纳米管填充PT FE 复合材料的硬度测试结果见图1. 可见, 碳纳米管能够提高PT FE 的硬度, 当碳纳米管质量分数为7%时, PT FE 复合材料的硬度最大(98. 17H RM ) , 比PT FE 的硬度(84. 83H RM ) 提高了15. 7%.

图2所示为不同含量的碳纳米管填充PT FE

复

F ig 1　V ariati ons of hardness compo site 2V ariati ons of i m pact intensity of PT FE

compo site w ith CN T s content

图1　PT

图2　PT FE 复合材料的冲击强度随碳纳米管含量

变化的关系曲线

合材料的冲击强度测试结果. 可以看出, 碳纳米管可

以提高PT FE 的冲击强度, 当碳纳米管质量的分数为7%时, PT FE 复合材料的冲击强度达到最大值

22

(41. 74kJ m ) , 比PT FE 的冲击强度(31. 56kJ m ) 提高了32%.2. 2　摩擦磨损性能

擦系数随碳纳米管含量变化的关系曲线. 可以看出, 在本文的研究范围内, PT FE 复合材料的摩擦系数随着碳纳米管含量的增加而增大, 当含量为10%时摩擦系数达到0. 207.

图4所示为碳纳米管填充PT FE 复合材料的磨损量随碳纳米管含量变化的关系曲线. 可以看出, 碳纳米管能够有效地降低PT FE 磨损量.

在本文研究

图3所示为碳纳米管填充PT FE 复合材料的摩

F ig 3　V ariati ons of fricti on coefficient of PT FE compo site w ith CN T s content

F ig 4　V ariati ons of w ear w idth of PT FE compo site

w ith CN T s content

图3　PT FE 复合材料的摩擦系数随碳纳米管

含量变化的关系曲线

图4　PT FE 复合材料的磨痕宽度随碳纳米管

含量变化的关系曲线

的范围以内, PT FE 复合材料的磨损量随着碳纳米管含量增加而明显减小, 当含量为10%时磨痕宽度仅

第4期曲建俊等:　碳纳米管改性聚四氟乙烯复合材料的摩擦磨损性能研究335

为5. 66mm .

2. 3　磨损机理分析

图5所示为PT FE 试样和不同含量碳纳米管填充的PT FE 复合材料试样的磨损表面形貌SE M 照片. 可见, 在PT FE 试样的磨损表面存在明显条状磨痕[图5(a ) ],在含1%

碳纳米管的复合材料试样的磨

(a ) PT

FE

(

b ) PT FE s

(c ) PT FE +5%CN T s (d ) PT FE +10%CN T s

F ig 5　SE M i m ages of w o rn surfaces of CN T s 2filled PT FE compo sites

图5　复合材料试样磨损表面形貌的SE M 照片

损表面也有条状磨痕[图5(b ) ],而在含5%和10%

的碳纳米管试样的磨损表面上无明显条状磨痕, 且随着碳纳米管含量增加磨痕明显减小. 同时还发现, 摩擦磨损试验中产生的磨屑呈现片状形态, 并且随着碳纳米管含量增加, 磨屑尺寸越来越小. 分析认为, 由于PT FE 的硬度和剪切强度比金属低, 在摩擦过程中磨损主要发生在PT FE 本身. PT FE 的磨损本质在于外力使大分子链发生滑移或断裂, 材料被拉出结晶区并转移到偶件表面从而造成粘着磨损[11]. 碳纳米管的强度和长径比为炭纤维的10倍以上[5], 当碳纳米管填充PT FE 后不仅阻止了PT FE 带状结构的大面积破坏, 改变了磨屑的形成机

. PT FE 的性能

此外, 采用光学显微镜观察与PT FE 和碳纳米

管填充PT FE 复合材料试样对摩的钢环磨损表面形貌(如图6所示) 可见, 与纯PT FE 相比, 10%碳纳米管填充PT FE 复合材料对摩的钢环表面存在明显的转移物, 几乎覆盖了钢环表面的加工痕迹, 而且在试验中发现随着碳纳米管含量增加, 对摩钢环表面的转移物也明显增多. 在试验结束时, 用脱棉球很难擦掉这些转移物, 表明在钢环表面形成的转移物较牢固. 同时还发现, 随着碳纳米管含量增加, 对摩钢环表面更容易形成转移膜, 转移膜隔离了复合材料试样与偶件钢环的直接接触, 使摩擦在复合材料和转移膜之间进行, 阻止了PT FE 向对偶表面的转移, 降低了

. PT FE 复合材料的磨损量

理, 使其由纯PT FE 的大块片状磨屑转变为复合材

料的小磨屑, 而且具有一定的承载作用, 从而提高了

336摩　擦　学　学　报第25卷

(a ) Steel ring of pure PT

FE (b ) Steel rings of PT FE +10%CN T s

F ig 6　Op tical m icrograph s of transfer fil m s fo r m ed on the surface of oppo site steel rings

图6　对摩钢环表面转移膜的光学显微镜照片

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3　结论

a . 　碳纳米管能够提高PT FE 度, 当碳纳米管含量为7%时, PT FE .

b . 　PT 加而明显减小. 在本文研究的范围内, 当碳纳米管的质量分数为10%时, PT FE 复合材料的耐磨性能最佳.

c . 　碳纳米管起到耐磨作用的主要原因是碳纳

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w ith Carbon Nano Tubes

QU J ian 2jun , L I X ian 2ling , SON G B ao 2yu

(S chool of m echatronics E ng ineering , H arbin Institu te of T echnology , H arbin 150001, Ch ina )

Abstract :Effects of carbon nano tubes (CN T s ) on fricti on and w ear p roperties of po lytetrafluo roethylene (PT FE ) w ear investigated u sing an MM 2200w ear tester . M echan ical perfo r m ances of PT FE com po sites w ere m easu red . Experi m en tal resu lts show ed that CN T s cou ld reduce w ear and increase fricti on coefficien t of PT FE . Fu rther m o re , it cou ld also increase hardness and i m p act in ten sity of PT FE . W hen con ten t of CN T s is 7%in w eigh t , m echan ics perfo r m ance of PT FE com po site is op ti m al and w hen con ten is 10%in w eigh t , . W o rn su rfaces of CN T s 2filled po sites and the the w ear perfo r m ance of PT FE com po site is op ti m al

shap es of the tran sfer fil m and w o rn deb ris w ere ob served u a ing and an op tical m icro scop e . T he reason s the w ear of PT FE is decreased in s resisted severe m angle of PT FE stri p structu re , and that fil m s rface p reven ted direct con tact betw een PT FE com po site Key words :; fricti on and w ear behavi o r

Author :QU J bo in 1962, Ph . D . , P rofesso r , e 2m ail :qu jian jun @h it . edu . cn