镍/聚四氟乙烯复合材料摩擦诱导磁化的研究

解　挺,　崔爱龙,　杨婷婷,　李儒旺,　闫照明

(1.合肥工业大学 机械与汽车工程学院,安徽 合肥 230009;2.安徽新华学院 土木与环境工程学院,安徽 合肥 230088)



镍/聚四氟乙烯复合材料摩擦诱导磁化的研究

解挺1,崔爱龙1,杨婷婷2,李儒旺1,闫照明1

(1.合肥工业大学 机械与汽车工程学院,安徽 合肥 230009;2.安徽新华学院 土木与环境工程学院,安徽 合肥 230088)

文章利用多功能环境可控摩擦磨损试验机,研究了具有不同镍含量的聚四氟乙烯(PTFE)基复合材料和45号钢干摩擦时的摩擦诱导磁化以及摩擦学性能,考查了镍含量对摩擦诱导磁化和摩擦学性能的影响。研究结果表明:含有镍颗粒的PTFE基复合材料在摩擦过程中能够产生摩擦诱导磁化现象,且摩擦诱导磁化的磁感应强度与镍含量有关;随着镍含量的增加,Ni/PTFE复合材料摩擦诱导磁感应强度逐渐增大,摩擦系数几乎不变,磨损量先逐步减小后迅速增大;摩擦诱导磁化作用在一定程度上对促进转移膜的生成有利,从而有利于改善摩擦学性能。

聚四氟乙烯;复合材料;镍;摩擦诱导磁化;摩擦学特性

摩擦诱导磁化是指铁磁性材料(铁、钴、镍等)在摩擦磨损过程中、在无外加磁场条件下摩擦表面自激发磁化的行为。相关研究表明[1-3],摩擦诱导磁化与摩擦学过程密切相关。已报道的摩擦诱导磁化研究都基于金属摩擦副在摩擦中产生的行为,对于聚合物基复合材料的摩擦诱导磁化尚缺乏研究,而这一现象在含铁磁性填料的聚合物复合材料摩擦中广泛存在,并且对其摩擦学性能有重要的影响。随着科技进步,聚合物复合材料应用日益普遍,尤其是与金属组成摩擦副能够降低摩擦系数、改善摩擦学特性。关于聚四氟乙烯(PTFE)基复合材料的改性及其摩擦学特性的研究已较为深入[4-10],然而关于PTFE基复合材料的摩擦诱导磁化尚待深入研究。

本文以PTFE基复合材料为研究对象,考察了含有铁磁性填料镍的PTFE基复合材料的摩擦诱导磁化行为及其摩擦学特性,分析了镍含量对其摩擦学特性的影响规律,这对于PTFE基复合材料的功能化设计有一定的借鉴意义。

1　试验部分

1.1试样制备

PTFE为白色粉末,密度为2.2 g/cm3。镍(Ni)粉为灰色树枝状粉末,将Ni分别按质量分数5%、15%、25%、35%加入到基体PTFE材料中,经过机械混合、压制成型(60 MPa)和烧结,得到圆片状复合材料试样,其尺寸为φ35 mm×5 mm。对偶件为45号钢环形试样(外径为30 mm、内径为22 mm)。

1.2试验方法

试验在合肥工业大学摩擦学研究所研制的多功能环境可控摩擦磨损试验机上进行。摩擦接触形式为面接触,试验条件为载荷4 MPa、平均线速度0.4 m/s、试验时间30 min、室温、干摩擦。试验中摩擦诱导磁感应强度采用南京大学生产的毫特斯拉计(GS108型)实时测量,测量位置固定不变，并对摩擦系统实施电磁屏蔽,摩擦系数由试验机实时记录,磨损量为试验前后的质量差值。试验后用数字光学显微镜观察上、下试样表面微观形貌。摩擦副及磁性测量示意图如图1所示。

图1　摩擦副及磁性测量方式

2　试验结果与讨论

2.1复合材料的摩擦诱导磁化

不同Ni含量下PTFE基复合材料摩擦诱导磁感应强度如图2所示。由图2可知,含有Ni的PTFE基复合材料被测试样都因摩擦磨损作用而产生了摩擦诱导磁化行为。

图2　PTFE基复合材料摩擦诱导磁感应强度

图2a为复合材料的摩擦诱导磁感应强度随摩擦时间变化的曲线,由图2a可以看出,除了wNi为15%的试样外,其他样品的摩擦诱导磁感应强度都在开始摩擦阶段迅速上升,大多在5 min后基本处于稳定状态并伴有小幅波动。图2b为复合材料的摩擦诱导磁感应强度的稳定值与Ni含量的关系,由图2b可以看出,随着wNi的增大,复合材料的摩擦诱导磁感应强度也逐渐增大,但wNi超过15%以后增大的幅度不明显。

上述结果说明PTFE基复合材料能够产生摩擦诱导磁化现象,这种摩擦磁化行为主要是铁磁性填料的贡献，因为PTFE基体本身不具有磁性。不同Ni含量的复合材料试样在与对偶件45号钢对摩时,复合材料表面的Ni颗粒产生磨损,形成细小的Ni磨损碎屑,这些碎屑中的磁畴会在摩擦作用下发生一致取向的行为,碎屑首先发生自激发磁化[2-3],进而导致摩擦面上Ni颗粒磁化,显现出复合材料表面的摩擦诱导磁化作用。由此可见,摩擦诱导磁感应强度与Ni含量的多少密切相关,Ni含量多,诱导磁化的累积效应大,摩擦诱导磁感应强度就高。wNi超过15%以后,Ni颗粒在复合材料表面的分布数量差别不大,因此表现为摩擦诱导磁感应强度升高不明显。

2.2复合材料的摩擦学特性

不同Ni含量下Ni/PTFE基复合材料摩擦系数、磨损量如图3所示。图3a为不同Ni含量下复合材料摩擦系数随时间变化的实时动态曲线,右上角插入的小图为平均摩擦系数与Ni含量的关系图。由图3a可见,不同Ni含量下,Ni/PTFE复合材料的摩擦系数随着Ni含量的升高几乎不变,稳定在0.19附近;但是随着Ni含量的升高,其摩擦系数的波动逐渐变大,wNi为35%时波动最大。由图3b可以看出,随着Ni含量的增大,复合材料的磨损量逐渐降低,当wNi为25%时,复合材料的磨损量最小;wNi超过25%时,复合材料的磨损量反而增大；由此表明,在不同的Ni含量下,复合材料的摩擦磨损机理都相同。

(a) 　wNi与摩擦系数的关系

(b)　wNi与磨损量的关系

上述变化规律与复合材料的摩擦诱导磁化有着密切关联。摩擦过程中,对偶件试样表面会产生一层转移膜,转移膜的质量对摩擦学性能有着决定性的作用,转移膜均匀、完整则有利于降低摩擦、减小磨损[7]。在本文的摩擦界面上,由于复合材料中铁磁性Ni颗粒的摩擦诱导磁化,具有磁性的Ni的磨损碎屑容易吸附于对偶件45号钢的表面,对于转移膜的形成和稳定有很好的促进作用,同时这些Ni颗粒的存在具有一定的“钉扎”作用,对于转移膜依附于对偶件表面有很好的辅助作用,从而有效地促进转移膜的形成和稳定,对减小摩擦和磨损有利。另一方面,随着Ni颗粒含量的增多,对于复合材料的力学增强作用增大,同时对于抵抗裂纹的扩展等有利。因此综合表现为：一定的Ni含量范围内,随着Ni颗粒的增多,磨损减小；但当wNi超过25%时,磨损增大,这是由于复合材料表面Ni颗粒过多、颗粒与对偶件的黏着作用增大，导致了黏着磨损迅速增大、磨损量迅速增大。此时,摩擦系数也不稳定,表现为摩擦系数波动较大(如图3a)。

不同Ni含量下Ni/PTFE基复合材料磨损表面形貌如图4所示。由图4可以看出,wNi为5%时磨损表面比较光滑,wNi为35%时产生磨损的表面发生了较显著的黏着磨损。

图4　不同wNi下Ni/PTFE基复合材料磨损表面形貌

3　结　　论

本文通过对Ni/PTFE基复合材料的摩擦诱导磁化行为及其摩擦学特性的研究,得出如下结论:

(1) Ni/PTFE复合材料在与对偶件45号钢摩擦过程中能够产生摩擦诱导磁化现象。

(2) Ni含量的变化影响Ni/PTFE复合材料摩擦诱导磁化强度,其规律为:随着镍含量的增加,复合材料摩擦诱导磁感应强度逐渐增大,wNi超过15%后增幅较小。

(3) 随着镍含量的升高,复合材料摩擦系数几乎不变;复合材料磨损量随着Ni含量增大,逐步减小,但wNi超过25%时,由于黏着磨损加剧,导致磨损量迅速增大。

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[3]HASE A,MISHINA H.Wear elements generated in the elementary process of wear[J].Tribology International,2009,42(11):1684-1690.

[4]陈扶东,龚俊.不同填料填充PTFE复合材料的力学及摩擦磨损性能[J].润滑与密封,2014,39(5):13-16,46.

[5]张招柱,曹佩弦,王坤,等.PTFE复合材料的摩擦学性能及力学性能[J].高分子材料科学与工程,2005,21(2):189-192.

[6]曲建俊,李显凌,宋宝玉.碳纳米管改性聚四氟乙烯复合材料的摩擦磨损性能研究[J].摩擦学学报,2005,25(4):333-337.

[7]BAHADUR S.The development of transfer layers and their role in polymer tribology[J].Wear,2000,245(1):92-99.

[8]何春霞,路琴,张静,等.三种碳纳米材料改性PTFE复合材料摩擦磨损特性[J].材料科学与工程学报,2010,28 (2):186-188.

[9]何健,李小红,张治军.聚合物基复合材料摩擦学改性研究新进展[J].摩擦学学报,2012,32(2):199-208.

[10]陈刚,焦明华,解挺,等.填充材料对聚四氟乙烯基复合材料摩擦学特性的影响[J].轴承,2007(10):42-45.

(责任编辑胡亚敏)

Study of friction-induced magnetization of polytetrafluoroethylene composites containing nickel particles

XIE Ting1,CUI Ailong1,YANG Tingting2,LI Ruwang1,YAN Zhaoming1

(1.School of Machinery and Automobile Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China; 2.College of Civil and Environmental Engineering, Anhui Xinhua University, Hefei 230088, China)

The friction-induced magnetization and tribological properties of the polytetrafluoroethylene(PTFE) composite containing different contents of nickel particles(Ni) were studied by using a multi-functional tribometer as the composite slid against No.45 steel. The effect of the Ni content on friction-induced magnetization and tribological properties of the composite was discussed. The experimental results showed that the friction-induced magnetization of the PTFE composite containing Ni particles could be found when it slid against No.45 steel. And the friction-induced magnetic induction intensity of the composite related to the Ni content. With the increase of the Ni content, the friction induced magnetic induction of the composite increased, the friction coefficients changed little, and the wear loss decreased at first and then rapidly increased. The friction-induced magnetization of the composite is helpful in promoting the formation of the transfer film to a certain extent, thus improving the tribological properties.

polytetrafluoroethylene(PTFE); composite; nickel; friction-induced magnetization; tribological property

2015-03-06；

2015-04-23

国家自然科学基金资助项目(51275144)

解挺(1963-),男,安徽合肥人,博士,合肥工业大学教授,硕士生导师.

10.3969/j.issn.1003-5060.2016.07.001

TH117.1

A

1003-5060(2016)07-0865-04