不同碳材料对耐磨涂层的改性研究

2018-10-18辛存良何世安

粘接 2018年10期

辛存良，何世安

（中国电子科技集团公司第十六研究所，低温技术安徽省重点实验室，安徽合肥 230088）

斯特林制冷机是一种为红外探测器提供低温环境的重要器件[1，2]。而活塞表面附着的耐磨涂层对斯特林制冷机的性能和稳定性起着至关重要的作用。为此，需对耐磨涂层的性能进行深入的研究。

目前，常用的耐磨涂层是以聚四氟乙烯为基体制备的，这是由于聚四氟乙烯含有多个重复的“-CF2-”单元，这种碳键结构非常牢固，但其分子间的结合却较弱，因此分子整体的轮廓比较光滑[3]，这样会降低滑动阻力，致使其具有自润滑性。通过添加一些耐磨填料可以改善其耐磨性不足的弱点，常用的耐磨填料有石墨和石墨烯。石墨因其具有独特的层状结构使其平面层之间的结合较弱，所以在摩擦磨损过程中平面层与平面层之间极易发生滑动，因此，摩擦系数较小，常用作改性剂以改善耐磨效果[4，5]。石墨烯由于突出的力学性能使其具有较高的强度[6]，是一种各项性能较为优异的新材料。但是，石墨烯在实际产品中的应用研究还较少。本研究分别选用石墨和石墨烯对聚四氟乙烯耐磨涂料进行改性，以改善耐磨涂层的耐磨性能。

1 实验部分

1.1 主要原料

石墨、石墨烯，市售；聚四氟乙烯基耐磨涂层，自制。

试验测试样件均为中国电子科技集团公司第十六研究所加工提供。

1.2 仪器与设备

MGW-02型微机控制式摩擦磨损试验机，济南益华摩擦学测试技术有限公司；QFHHD600型涂层附着力测试仪，北京大河湾科技有限公司；QTX型涂层柔韧性测试仪，天津市世博伟业化玻仪器有限公司；QCJ-120型涂层冲击试验机，天津赛亚试验机设备制造厂；DZF-1B型真空干燥箱，上海贺德实验设备有限公司；MM-400型光学显微镜，日本Nikon Corporation。

1.3 试样制备

测试样件的涂层厚度控制在25～30μm，涂层的制备是通过喷涂的方法在一定规格尺寸的样件表面成膜。

1.4 性能测试

（1）摩擦系数：采用往复摩擦进行试验（常温条件下，加载力为20 N，摩擦试验时长为8 h，频率为50 Hz）；

（2）涂层附着力：按照GB/T 9286—1998《色漆和清漆漆膜的划格试验》标准进行测试（对照参数表的0、1、2、3、4、5级进行归类，其中0级的附着力效果相对最好，然后依次减弱）。

（3）柔韧性：按照GB/T 1731—1993《漆膜柔韧性测定法》标准，采用一定直径的轴棒进行弯曲试验测试。

（4）抗冲击强度：按照GB/T 1732—1993《漆膜耐冲击性测定法》标准，采用重锤对涂层进行冲击测试。

（5）微观形貌：采用光学显微镜观察经试验后的涂层有无裂纹或剥落等现象。

2 结果与讨论

2.1 摩擦磨损性能

将石墨和石墨烯改性的耐磨涂层与其配对的摩擦副分别进行摩擦试验，测定了涂层的摩擦磨损情况，测出的摩擦系数如图1所示。由图1可知：聚四氟乙烯耐磨涂层（以下简称“耐磨涂层”）与其配对的摩擦副在摩擦试验结束后的摩擦系数为0.16，而在同种条件下由石墨和石墨烯分别改性的耐磨涂层的摩擦系数分别为0.15和0.13，说明由石墨和石墨烯改性的耐磨涂层在摩擦过程中产生的摩擦阻力较小，即石墨和石墨烯这2种碳材料分别对耐磨涂层具有较好的改善效果，其中尤以石墨烯改性的耐磨涂层的改善效果更佳。

图1 涂层的摩擦系数Fig.1 Friction coefficient of coatings

图2 中所示的a、b和c分别为耐磨涂层、石墨和石墨烯改性的耐磨涂层在摩擦试验后放大50倍的表面形貌。由图2a中可以看出，摩擦后的涂层表面具有较多的类似犁沟结构的形状及较多的颗粒物出现；图2b中出现的类似犁沟结构的形状及颗粒物较少；而图2c中出现更少的摩擦磨损痕迹。图2a和图2b中出现的较多类似于犁沟形状的形貌是由磨料磨损造成的，这是一种由接触表面的硬颗粒或凹凸不平的硬突起物在摩擦过程中使材料产生迁移而造成的一种磨损，这对发生摩擦接触的摩擦副表面会产生一种微观切削，因此会有这种磨损形貌的出现，而且也出现了由于局部应力集中而造成的疲劳磨损，兼有粘着磨损和氧化腐蚀磨损的发生[7]。从摩擦磨损的表面结构来看，石墨烯改性的耐磨涂层磨损较少。

图2 3种涂层摩擦后放大50倍的表面形貌Fig.2 Surface morphologies（magnified 50 times）of three coatings after friction

2.2 涂层的附着力性能

喷涂后的耐磨涂层及改性涂层附着力性能的测试结果如图3所示。由图3可知，耐磨涂层及石墨改性的耐磨涂层的附着力均为1级，石墨烯改性的耐磨涂层的附着力为0级，即石墨烯改性的耐磨涂层的附着力相对最佳。石墨烯在耐磨涂料体系中能够较均匀地分散可能与其本身特殊的微观结构有关。

图3 涂层的附着力Fig.3 Adhesion of coatings

2.3 涂层的柔韧性能

涂层柔韧性能测试结果如图4所示。由图4可知，这3种耐磨涂层的柔韧性数值均为1 mm，说明这3种耐磨涂层在进行大角度弯曲时仍然不发生裂纹或剥落变化，即未出现弯曲后的裂纹或剥落，说明3种耐磨涂层的柔韧性能均较好。

图4 涂层的柔韧性Fig.4 Flexibility of coatings

2.4 涂层的抗冲击性能

对涂层抗冲击性能测试结果如图5所示。由图5可以看出，耐磨涂层、石墨改性耐磨涂层及石墨烯改性的耐磨涂层的抗冲击强度分别为5 N·m、10 N·m和12 N·m。常规耐磨涂层的抗冲击强度最大为5 N·m，而由石墨和石墨烯分别改性后的耐磨涂层的抗冲击强度均较高，特别是石墨烯改性耐磨涂层的抗冲击性能较突出。