无机填料对聚四氟乙烯复合材料的摩擦学性能影响研究现状

张蒙蒙，谢 凤，李 斌

(空军勤务学院，江苏徐州 221000)

聚四氟乙烯(PTFE)作为摩擦副材料具有摩擦系数低、耐高低温、耐腐蚀、耐老化、不黏及热稳定性好等优点，是一种适用于制作成各种润滑部件的聚合物材料，目前已广泛地应用于航空航天、石油化工、机械电子等领域。然而，纯PTFE存在着耐磨损性能差、蠕变大、硬度低、尺寸稳定性差等缺陷，这使得其应用范围受到了一定限制。但当其中添加某些无机颗粒后，可适当地改善其导热性能，从而提高了复合材料的耐蠕变性，阻止摩擦过程中大面积的带状磨屑的产生，减少了磨损。当今，无机填充改性已经是制备PTFE复合材料的主要方法之一，笔者就目前无机填料对聚四氟乙烯复合材料摩擦学特性影响研究的现状做了简要的概述。

1 聚四氟乙烯的摩擦学作用机理

PTFE聚合物结构是晶态的，在基体的构造中存在着150～900 A厚的、由板状晶构成的带状结构，因而容易发生变形和断裂。PTFE分子被分布相当均匀的外层电子所包围，分子呈柱状流线型结构，分子间的相互作用力小，吸引力弱。这些结构特性从本质上决定了PTFE聚合物易滑动，它的摩擦系数很低。作为润滑剂，它是目前所有材料中摩擦系数最小的，其化学稳定性又是现有塑料中最高的。在摩擦过程中，不发生粘着与咬死，摩擦面间不发生胶合，具有自润滑减磨性能，且在很宽的温度范围内不变，即使在真空下也能保持润滑性能［1］。

2 无机填料对聚四氟乙烯复合材料摩擦学特性的影响

王晓波等人［2］将不同体积含量，不同粒径(80目和200目两种粒度)的SiO2填充到聚四氟乙烯样品中，制备了聚四氟乙烯复合材料，并通过M－2000摩擦磨损试验机，在大气中、干燥的摩擦条件下进行了样品的摩擦磨损性能评价。实验结果表明，随填料体积含量的增加，粗、细两种填料填充到聚四氟乙烯样品中后，样品的摩擦系数均会增大。在相同体积含量时，粗粒径的SiO2填充的聚四氟乙烯样品摩擦系数要低于细SiO2填充的聚四氟乙烯样品摩擦系数，这种差别是随着填料体积含量的增加而变大的;并且，通过分析磨痕宽度随填充体积含量时他们还发现:粗、细SiO2填充的聚四氟乙烯样品磨痕宽度随填充含量的变化规律均是先降低后升高，两种样品均有一个最佳体积含量，但它们的变化趋势却是有差别的，这种差别主要表现在:在较低的体积填充含量(＜30%)、相同的体积含量下，细SiO2填充的聚四氟乙烯的抗磨性能要优于粗SiO2填充的聚四氟乙烯，并且其受填料含量的影响与粗SiO2填充的聚四氟乙烯相比要小，在较高的填充分数时这种规律则是相反的。他们认为，SiO2粒子在摩擦过程中是以随机方式分散在聚四氟乙烯基体中的，随机分散之后，SiO2粒子能够在摩擦面上形成一个个小支撑点，正是这些支撑点的存在，可以使得作用于摩擦面的压应力和剪切力很好地传递到基体内部，而不是集中在材料表层，从而避免了聚四氟乙烯基体的迅速、剧烈破坏。在相同的体积分数时，细SiO2在摩擦面所占的面积分数相对与粗SiO2要大一些，而颗粒间平均距离却是粗SiO2大于细SiO2;他们还发现随着SiO2颗粒体积含量的增加，这两个相互关联的参数(摩擦面的面积分数和粒子间的平均距离)随之会发生变化，前者会逐渐增大，后者会逐渐减小，且这种变化的趋势是细SiO2远大于粗SiO2。

顾红艳、何春霞［3］分别将未经处理的纳米Si3N4和用无水乙醇稀释钛酸酯偶联剂来处理Si3N4，然后填充到聚四氟乙烯中制备复合材料，研究纳米Si3N4表面处理、质量分数对PTFE复合材料摩擦磨损性能的影响。实验结果发现，纳米Si3N4的填充可以使复合材料的耐磨性能大大提高，同时也发现经过表面处理的Si3N4填充到聚四氟乙烯复合材料中后，虽然会使复合材料的耐磨性能有所下降，但当Si3N4质量分数达到9%之后，其耐磨性能仍能够比纯PTFE提高109倍，表现出了较好的耐磨性能。经表面处理后，Si3N4填充的PTFE复合材料的减摩性能平均可提高14.5%的水平。他们认为，这是由于纯的PTFE在磨擦过程中主要是发生大分子链的滑移或断裂，当加入了硬质填料后，相对于纯PTFE而言，填料具有优先承载作用，而且填料的表面可以吸附大分子链，使得粒子相互之间吸附的大分子链产生互相缠绕，从而可以达到阻止PTFE带状结构的大面积破坏，进而提高了其耐磨性能;当复合材料中纳米粒子含量增加时，复合材料的硬度也会逐渐增大，而且加入填料后，磨损过程中复合材料不会轻易地产生塑性变形，这可能是由于复合材料中的粒子在摩擦过程中逐渐暴露出来，与对磨件表面接触，从而会在磨损过程中承载大部分载荷，进而可以有效地保护PTFE基体，减少磨损量。经过表面处理后，纳米粒子表面可以形成柔软的界面层，使得复合材料的硬度发生下降，从而会使复合材料的耐磨性能下降。

龚俊等人［4］利用往复式摩擦磨损实验机，考察了石墨和MoS2填充到聚四氟乙烯后制成的复合材料的摩擦磨损性能，并与纯PTFE的摩擦磨损性能进行了对比。实验结果发现:石墨和MoS2填充的PTFE复合材料的耐磨性比纯PTFE提高很多，并且添加石墨和MoS2之后，PTFE复合材料的摩擦因数降低许多，有利于减少摩擦磨损。他们认为，其原因是一方面石墨和MoS2可能起到了增强效果，石墨可以起到润滑剂的作用，这主要表现在通过吸附在对摩面上的石墨转移膜进行阻碍磨损;另一方面，填充的石墨和MoS2通过阻止PTFE带状结构的大面积破坏，从而改变了磨屑的形成机制，降低了PTFE复合材料的磨损。加入石墨和MoS2后，PTFE的磨损由以犁沟效应和粘着磨损为主可以改变为以磨粒磨损为主。

何春霞、康丽霞［5］考察了聚四氟乙烯以及石墨填充聚四氟乙烯复合材料在不同载荷、不同润滑条件下的摩擦磨损性能。试验结果发现，石墨填充聚四氟乙烯的耐磨性与纯聚四氟乙烯相比提高了很多，在不同的润滑条件下，纯四氟乙烯及石墨填充四氟乙烯的磨损量及摩擦系数是不一样的，对于纯四氟乙烯而言，其磨损量是水润滑条件下最小;而对石墨填充四氟乙烯，其磨损量则是油润滑条件下最小，水润滑条件下的磨损量相对而言较大，甚至大于干摩擦下的磨损量。他们认为，其原因是一方面石墨可以起到润滑剂作用，通过吸附在对磨面上的石墨转移膜阻碍了磨损，另一方面石墨可以起到增强效果，提高了四氟乙烯的剪切强度和硬度，进而减少磨损。

汪海风、徐意等人［6］将两种方法制备的Al2O3纳米颗粒分别填充到聚四氟乙烯(PTFE)中制成复合材料，一种是以添加表面活性剂的水为溶剂，采用溶剂混合法制备的纳米Al2O3，另一种是在乙醇中制备的纳米Al2O3颗粒。他们通过采用电子万能试验机考察了两种材料的摩擦学性能。实验结果表明，在200 N和干摩擦条件下，纳米Al2O3质量分数在1%～5%的范围内时，水中制备的复合材料的磨损量要比乙醇中制备的复合材料的磨损量小，与纯PTFE相比，磨损量可以下降1～2个数量级;他们还发现，复合材料的摩擦因数在水中制备的要比在乙醇中制备的低。他们认为这是由于Al2O3在乙醇中与在水中相比会更容易团聚，形成较大颗粒，因此会加剧对PTFE基体的磨粒磨损，增加磨损量。

张军凯、王鹏超等人［7］用硫酸钙晶须(CSW)填充改性聚四氟乙烯(PTFE)，研究不同硫酸钙晶须含量的PTFE/CSW复合材料的摩擦学性能。结果表明:填充硫酸钙晶须在一定的情况下是可以提高PTFE复合材料的耐磨损性能的，但存在的问题是硫酸钙晶须会使复合材料的摩擦因数与纯PTFE相比略有增加。在填充量不大于1%时，PTFE复合材料的磨损量在填充硫酸钙晶须后可显著减小，当填充量大于1%后，复合材料磨损量减小的趋势会变得较为平缓，填充量的最佳值为10%;当填充量大于10%后，PTFE/CSW复合材料的磨损量则会呈现出上升的趋势。他们认为，这是由于当填充量较高时，硫酸钙晶须在PTFE基体中无法均匀分散，硫酸钙晶须在基体 PTFE中的分散性较差，引起 PTFE/CSW复合材料产生一定的缺陷;对于那些未均匀分散的大量硫酸钙晶须，它们会团聚在一起，团聚的硫酸钙晶须则会造成严重的磨粒磨损，从而增加磨损量。纯PTFE的磨损主要是黏着磨损，而PTFE/CSW复合材料的磨损主要为轻微磨粒磨损和黏着磨损共同作用。

周邵萍［8］将不同质量比的青铜粉和氧化铅混合加入到聚四氟乙烯材料中制备聚四氟乙烯复合材料，通过与不加青铜粉的填充氧化铅的聚四氟乙烯材料进行对比试验，进而研究青铜粉对聚四氟乙烯基复合材料摩擦学性能的影响。研究发现，在其实验条件下，干摩擦时，随着青铜粉含量的增加，填充氧化铅的PTFE基复合材料的摩擦性能会所下降;油润滑时，填充氧化铅的PTFE基复合材料的摩擦性能相对于干摩擦时有所改善，并且在一定范围内，随着青铜粉含量的增加，填充氧化铅的PTFE基复合材料的摩擦性能却有所提高。她认为，填料在摩擦过程中会产生一种“第三体”，这个“第三体”即是转移膜，在几何结构、运行参数(包括载荷、速度、温度、表面粗糙度)和运动类型等条件不变的情况下，该“第三体”的形成是同基体填料组分息息相关的。填料组分在某种条件下会影响“第三体”在对偶面上的粘着强度，进而会影响材料的摩擦磨损性能，使材料的摩擦性能发生改变。

史以俊、何明等人［9］将钛酸钾晶须(PTW)填充到聚四氟乙烯材料中制成复合材料，通过与碳纤维(CF)和玻璃纤维(GF)的填充效果进行比较，进而考察钛酸钾晶须/聚四氟乙烯复合材料的摩擦磨损性能。结果发现，与纯的PTFE材料相比，钛酸钾晶须是可以增强PTEE复合材料的耐磨性能的，可以使其耐磨性能提高约300倍左右。通过对PTW/FIFE、GF/PTFE、CF/P1FE这 3种体系磨损面的SEM分析后发现，PTW/PTFE磨损面相对于其它两种体系的摩擦面而言要平整一些，基体材料PTFE受到的损伤相对较小;而GF/PTFE的磨损面在三者之中要更加的粗糙，他们认为，这可能是由于在摩擦过程中，材料断碎的GF小块会停留在摩擦面之间，导致磨粒磨损，从而会损伤基体材料，其外在的摩擦面表现则是复合材料磨损面相对粗糙;在SEM分析下发现CF/PTFE的磨损面上有明显的纤维脱落留下的凹坑，同GF小块一样，脱落的CF同样会造成磨粒磨损，从而加大了PTFE的磨损。

周惠娣、贾均红等人［10］通过使用 MM－200型摩擦磨损试验机，考察了A12O3、ZnO及CdO等金属氧化物填充的聚四氟乙烯复合材料在干摩擦和水润滑条件下摩擦磨损性能。通过实验发现，水润滑条件下与干摩擦条件下相比，复合材料的摩擦系数会有不同程度的降低，而磨损则会不同程度的加剧;水润滑条件下，当PTFE材料中填充了金属氧化物后，摩擦系数会增大，填充的Al2O3、ZnO及CdO等无机填料均会使PTFE材料的磨损率大幅增大，他们认为，这是由于这些填料吸水性较强，在摩擦过程中会导致填料与基体脱粘，进而使材料表面的机械强度降低，因此磨损率会大幅增大。

3 聚四氟乙烯作为润滑剂的应用展望

虽然说在聚四氟乙烯基材料中填充无机物可以很好地提高聚四氟乙烯基材料的硬度和耐磨性，但是同时也应看到，无机物的填充会使摩擦系数普遍升高，而且容易损伤对磨材料，这是以后需要改进与重点研究的方向。无机物的化学稳定性也不是特别的突出，这使得无机物填充的聚四氟乙烯基材料在高温、高压、极高腐蚀性等特殊工况下能否较好地发挥润滑作用值得进一步的探讨。但同时也要看到，多种填料的复合填充比单一填料的润滑作用要明显优越，是聚四氟乙烯未来进行改性的一个重要方向。

随着科学技术的不断发展，新材料和新技术的不断涌现，相信改性PTFE基复合材料还会有更大的发展空间，这就有赖于广大科技工作者的共同努力，不断研发，从而不断提升PTFE基复合材料的综合性能。

［1］ 郑发正，谢凤.润滑剂摩擦化学［M］.徐州:空军勤务学院，2013:257.

［2］ 王晓波，冯治中，阎逢元.SiO2填充聚四氟乙烯复合材料的摩擦学行为研究［J］.润滑与密封，2002，(1):47－49.

［3］ 顾红艳，何春霞.表面处理纳米Si3N4/PTFE复合材料的力学与摩擦学性能［J］.润滑与密封，2009，34(11):40－44.

［4］ 龚俊，付士军，郭精义，辛舟.聚四氟乙烯及其石墨和MoS2填充复合材料的摩擦学性能研究［J］.润滑与密封，2006，(184):146－148.

［5］ 何春霞，康丽霞.聚四氟乙烯及其石墨填充复合材料的摩擦磨损特性［J］.工程塑料应用，2001，29(3):1－3.

［6］ 汪海风，徐意，申乾宏，等.聚四氟乙烯纳米复合材料的制备及其力学和摩擦学性能［J］.润滑与密封，2013，38(10):21－24.

［7］ 张军凯，王鹏超，王亮，等.硫酸钙晶须填充PTFE复合材料的摩擦学性能研究［J］.润滑与密封，2011，36(10):13 －19.

［8］ 周邵萍.青铜粉对聚四氟乙烯基复合材料摩擦学性能影响的研究［J］.润滑与密封，2006，(173):94－96.

［9］ 史以俊，何明，顾晓利，等.钛酸钾晶须增强聚四氟乙烯复合材料摩擦磨损机制的研究［J］.润滑与密封，2009，34(1):59－62.

［10］周惠娣，贾均红，陈建敏，等.金属氧化物填充聚四氟乙烯复合材料在水润滑条件下的摩擦学性能研究［J］.摩擦学学报，2002，22(6):449 －453.