Go/CF/PTFE高铁桥梁球形支座平面滑板制备及摩擦学性能研究

王立虎,王守仁,王佩文,王高琦,张永良

(1.济南大学机械工程学院，山东 济南 250022；2.山东省计量科学研究院，山东 济南 25002)



【新材料】

Go/CF/PTFE高铁桥梁球形支座平面滑板制备及摩擦学性能研究

王立虎1,王守仁1*,王佩文1,王高琦1,张永良2

(1.济南大学机械工程学院，山东 济南 250022；2.山东省计量科学研究院，山东 济南 25002)

通过往PTFE中加入经过一定处理的石墨烯和碳纤维，经过称量材料、球磨混料、冷压成型、烧结固化等步骤制备出平面滑板试样。利用MMG-10型气氛保护摩擦磨损试验机对平面滑板试样的摩擦磨损性能进行了研究，利用扫描电镜观察平面滑板试样摩擦面的微观形貌，探讨了石墨烯与碳纤维的润滑机理。结果表明石墨烯的加入能减小平面滑板试样的摩擦系数，碳纤维的加入能明显提高平面滑板的耐磨耗性能。含有质量分数2%的石墨烯和30%的碳纤维的平面滑板试样的摩擦磨损性能最好。

石墨烯；碳纤维；摩擦磨损；扫描电镜

随着高铁桥梁事业的飞速发展，球型支座作为连接梁体与桥墩的重要一环，其重要性备受关注。高铁桥梁球型支座主要由上支座板、球冠衬板、下支座板、平面不锈钢板、平面滑板、球面不锈钢板、球面滑板、密封环、锚栓、防尘围板等组成。球型支座通过平面不锈钢板与平面滑板的滑动满足支座的位移要求，所以平面滑板是球型支座的重要组成部分，其性能的好坏直接影响球型支座的性能[1]。现阶段平面滑板的材料一般选择聚四氟乙烯(PTFE)，这是一种化学聚合物，俗称“塑料王”。由于其具有较好的摩擦磨损性能被广泛应用在各领域，但是PTFE的耐蠕变性能较差，在PTFE里添加填料可以提高其耐蠕变性能。石墨烯(GO)是由碳原子 sp2杂化轨道组成的六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，于2004年被发现，是一种二维纳米材料，厚度只有 1个碳原子厚度。石墨烯强度高、硬度大，具有较低的摩擦系数和优异的抗磨损性能，将其填充到PTFE中能有效减小其摩擦系数。碳纤维(CF)是一种高强度、高模量的新型纤维材料，作为填充剂可有效提高材料的耐磨性[2]。但是石墨烯和碳纤维作为填充材料与PTFE相容性并不是很好，本文采用硅烷偶联剂KH-550处理氧化石墨烯和碳纤维，使碳纤维与基体材料结合更加稳定。

1 实验

1.1实验设计

平面滑板试样尺寸为40 mm×40 mm×8 mm，纯聚四氟乙烯板的密度为2.17 g/cm3，试样质量为24 g，石墨烯的添加质量分数分别为1%、2%、3%，碳纤维的添加质量分数分别为10%、20%、30%，如表1所示。

表1 平面滑板试样的组成

1.2 试样制备

1.2.1 高铁桥梁球形支座平面滑板简介

高铁桥梁球形支座平面滑板位于球冠衬板与平面不锈钢板之间，平面滑板与平面不锈钢板之间的摩擦性能直接影响支座的寿命，所以说平面滑板是球型支座的核心组成部分，其在球型支座上的位置如图1所示。

图1 球型支座结构Fig.1 Spherical bearing structure

1.2.2 材料处理

碳纤维和氧化石墨烯分别经过硅烷偶联剂KH-550处理，步骤为用水、硅烷偶联剂和无水乙醇按体积分数分别为8%、22%和70%配成溶液，把待处理材料放入所配溶液中，用玻璃棒搅拌使其完全溶于溶液，然后放入鼓风干燥箱干燥，时间5 h，温度120 ℃，用研磨装置把干燥后的材料研碎放入容器中备用。

1.2.3 球磨混料

用电子分析天平称取一定质量的材料，放入球磨机中球磨，选择转速190 r/min，时间120 min，工作方式选择间歇式，球磨机运转20 min，静止20 min，球料比选择7∶1。

1.2.4 冷压成型

将混好的材料放入特定的模具中，采用液压成型机单向加压的办法压制，以10 MPa/min的加压速率加压至130 MPa，保压2 min，确保材料中的空气被完全压出。

1.2.5 烧结固化

把冷压成型后的试样放入箱式电炉中烧结。烧结固化工艺为升温速率60 ℃/h，在327 ℃下保温1 h，然后继续以60 ℃/h的升温速率加到370℃，保温4 h，然后随炉冷却至室温，得到平面滑板试样。

1.3 性能测试

1.3.1 摩擦磨损性能测试

摩擦磨损性能测试在MMG-10型气氛保护摩擦磨损试验机上进行，试样尺寸为40 mm×40 mm×8 mm，依次经过200、600、800、1 200目砂纸打磨抛光，对偶件为环，材质为45钢，尺寸为∅15 mm×∅10 mm×10 mm，实验前对偶件在3 000目的金相砂纸上打磨，实验在硅脂5201润滑的条件下进行，压力选择200 N, 选择转速150 r/min，时间为3 500 s，记录试样的静摩擦系数和磨损量，磨损量的计算采用测试前后的质量损失表示

Δm=m1-m2，

(1)

其中，Δm为质量损失，m1和m2分别为摩擦磨损前和摩擦后的质量，精确到0.1 mg[3-5]。

1.3.2 硬度测试

利用数显显微维氏硬度计测试试样的硬度，每组试样测试10次取平均值。

1.3.3 形貌观察

对摩擦磨损试样和冲击断面试样进行喷金处理，使用日立S-2500型扫描电子显微镜(SEM)在高倍下对磨损表面和冲击断面表面进行观察，深入探讨Go/CF/PTFE高铁桥梁球形支座平面滑板试样的减摩耐磨机理。

图2 平面滑板的磨损量随着碳纤维质量分数的变化Fig.2 The wear and tear of the flat sliding plate with the changes of carbon fiber content with graphite content of 1%

2 结果与讨论

2.1 摩擦磨损性能

图2为当石墨烯质量分数为1%时，磨损量随着碳纤维质量分数的增加而急剧减小，当质量分数为10%时磨损量下降80%，当质量分数为20%时磨损量相比质量分数为10%时增加很小，当质量分数为30%时，磨损量相比质量分数为10%时急剧增加[6]。

图3为当碳纤维质量分数为10%时，平面滑板的静摩擦系数随着石墨烯质量分数的增加而减小，当质量分数为3%时静摩擦系数可以达到0.007，可以满足高频率、低摩擦往复运动的实际工况要求。

图4为所有平面滑板试样的摩擦过程中摩擦系数的变化，从图中可以看出，相比试样A的摩擦系数，试样D、E、F、J的摩擦系数均有所减小，试样D和J的摩擦系数较小。结合图2与图3可以发现试样I的性能最优，由于碳纤维的添加其磨损量相比试样A大幅下降，由于石墨烯的添加摩擦系数也大大降低。[7]

图3 平面滑板的静摩擦系数随着石墨烯质量分数的变化 Fig.3 When the content of carbon fiber is 30%, the static friction coefficient of the planar sliding plate changes with the graphene content

图4 平面滑板试样的摩擦过程Fig.4 The friction process of the flat sliding plate specimen

2.2 硬度测试

表2给出了平面滑板试样硬度测试值。

表2 平面滑板试样硬度测试值(HV)

从表2试样硬度平均值变化可以看出，相比平面滑板试样A的硬度值，其余试样的硬度得到了极大的提高，大约提高200%。这是由于碳纤维的加入使得平面滑板试样的硬度值得到提高，但是碳纤维的量要适中，石墨烯的添加在一定程度上影响了试样的硬度。

2.3 磨损表面扫描电子显微镜分析

图5是不同组分的平面滑板试样的磨损表面形貌。随着碳纤维和石墨烯含量的变化，平面滑板试样的磨损表面形貌差别很大。图5A呈现出很深的带状结构，这是由于犁沟与粘着磨损造成的;随着碳纤维含量的提高，粘着磨损与犁沟效应减弱，当碳纤维含量在10%左右时，其减磨作用要远远大于其承载作用，在试样表面的碳纤维有效地阻止了犁沟的深入，使基体材料PTFE被磨损后直接磨损高于基体的碳纤维，碳纤维具有较高的比强度与比模量，相比基体更耐磨[8-9]。碳纤维对于基体有连接的作用，使局部的基体被紧密地抱在一起，因此平面滑板试样局部区域发生粘着脱落的概率降低，图5B由于碳纤维的存在犁沟作用被削弱，碳纤维周围的基体材料稳稳地抱在碳纤维周围[10]。

图5 平面滑板试样的SEM照片Fig.5 SEM photographs of the planar slide specimens

由于碳纤维与石墨烯都具有非常高的表面能，而且基体材料相当稳定，这样在混料时碳纤维与石墨烯极易发生团聚，经过硅烷偶联剂KH-550处理的碳纤维和石墨烯被赋予了氨基，而基体材料表面具有负电性很强的氟元素，这样氨基外层电子与氟元素电性中和，既避免了团聚又使碳纤维与基体材料结合更加稳定，图5C中碳纤维周围有裂缝出现，此种情况的出现有以下三种原因：一是碳纤维在与对磨件摩擦的过程中，结合良好的碳纤维被不断地剪切，最终出现裂纹，如果继续摩擦碳纤维会最终脱落；二是个别碳纤维被硅烷偶联剂处理时处理的不彻底，碳纤维与基体接触界面结合差；三是冷压成型时压力不均匀而且过快，使试样中出现缝隙。随着碳纤维含量达到30%，碳纤维像骨架一样分布在试样中，既起到减磨作用又起到很好的承载作用，试样的减磨效果非常好，但随着碳纤维含量的提高试样中出现了微小的磨粒磨损，这是由于碳纤维被摩擦过程中会出现脱落，脱落的碳纤维与试样直接对磨形成磨粒磨损。图5E为在局部区域没有碳纤维时磨痕的整体形貌，磨痕很深，典型的犁沟效应；如图5G所示，碳纤维在磨痕的深度方向起到连接作用，防止表面的材料发生粘着磨损；如图5H所示，碳纤维周围材料发生疲劳剥落，碳纤维在局部区域高于基体，此时碳纤维与对磨件对磨，起到减磨作用[11-12]。

当石墨烯与碳纤维含量到达一定值时，石墨烯会与碳纤维产生协同润滑作用，由于石墨烯的片层状结构，石墨烯会与基体材料转移到对偶件上与碳纤维对磨，这样由平面滑板试样与金属的对磨转变成碳纤维与石墨烯和基体材料的对磨，因此摩擦系数会降低。由于本实验所添加的碳纤维经过硅烷偶联剂处理，碳纤维在基体中会因为氨基外层电子与负电性氟元素相互作用和冷压成型时的机械力而结合性良好。如图5I、J所示，碳纤维与基体良好地结合在一起，由于对磨件的切削作用，基体材料被磨平，高出基体的碳纤维与对磨件对磨直至被磨平，碳纤维起到了减磨作用[12]。

2.4 冲击断面扫描电子显微镜分析

图6是68%PTFE+2%Go+30%CF平面滑板试样冲击断面SEM照片，从图中可以看出，碳纤维在基体中分布较为均匀，界面结合较为紧密。

图6 平面滑板试样冲击断面Fig.6 Impact fracture of sample plane

3 结 论

本文所涉及的实验摩擦磨损性能最好的是试样D：2%Go+30%CF+68%PTFE,静摩擦系数在0.007左右，磨损量相比纯PTFE大大减小。

通过对磨痕的微观形貌分析，经过硅烷偶联剂处理的碳纤维与基体材料界面结合较好，在与对磨件摩擦过程中，碳纤维代替基体材料与对磨件对磨，起到了减摩耐磨的作用。

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Preparation of flat skateboard for Go / CF / PTFE high-speed rail bridge spherical bearing and study on its tribological properties

WANG Li-hu1, WANG Shou-ren1*, WANG Pei-wen1, WANG Gao-qi1, ZHANG Yong-liang2

(1.School of Mechanical Engineering, University of Jinan, Jinan 250022, China;2.Shangdong Institute of Metrology, Jinan 250022, China)

∶A plane skateboard sample was prepared by adding treated graphene and carbon fiber to PTFE, and the steps were carried out by weighing material, ball milling, cold pressing, sintering and other procedures. The friction and wear properties of the plane skateboard specimen were studied by MMG-10 friction and wear tester of atmosphere protection. The microstructure of the friction surface of the plane skateboard was observed by scanning electron microscopy，and the lubrication mechanism of graphene and carbon fiber was discussed. The experimental results show the addition of graphene can reduce the friction coefficient of the plane skateboard specimen, and the addition of carbon fiber can obviously improve the wear resistance of the plane skateboard. The friction and wear properties of flat skate specimens containing 2% graphene and 30% carbon fiber are the best.

∶graphene; carbon fiber; friction and wear; scanning electron microscopy

10.3976/j.issn.1002-4026.2017.03.009

2017-01-20

山东省泰山学者工程专项经费;国家自然科学基金(51372101)

王立虎(1992—)，男，硕士，研究方向为摩擦学应用与研究。

*通信作者，王守仁。E-mail:sherman0158@163.com

TB332

A

1002-4026(2017)03-0045-06