聚四氟乙烯衬套开裂分析

张增阳 ， 李阿妮 ， 李 炎 ， 陈卫娜 ， 韩 露

（1. 中国运载火箭技术研究院，北京 100076；2. 航天材料及工艺研究所，北京 100076）

0 引言

聚四氟乙烯（PTFE）是一种特种工程塑料，外观呈白色，有蜡状感，分子链具有螺旋构象，氟原子包裹在碳链骨架外形成紧密的“氟代”保护层，使得其主链不受外界任何试剂的侵袭，加之聚四氟乙烯单体具有完美的对称性，C－F键键能很高，使得聚四氟乙烯分子间的吸引力和表面能较低[1-2]。因此，聚四氟乙烯具备高的化学稳定性、极强的耐高低温性能（100～533 K）、极低的摩擦系数、优异的电绝缘性、耐老化性和抗辐射性等优点，且聚四氟乙烯不溶于目前任何已知溶剂，不燃烧，使其在航空航天、石油化工、机械电子、建筑、纺织、汽车、生物医药等众多领域得到广泛的应用[3-6]。

衬套（最大直径φ10 mm）用原材料为聚四氟乙烯棒（标准QB/T 3626—1999，牌号为SFBN-2，规格为φ18 mm）。在机加工完成后，发现部分零件表面存在沿轴向疑似裂纹的缺陷。

本研究通过对开裂聚四氟乙烯衬套的断口进行宏微观形貌观察，与人工断口进行对比分析，对表面缺陷进行分析诊断，确定裂纹产生的原因，并提出相应工艺改进措施。

1 试验过程与结果

1.1 宏观形貌观察

直接观察聚四氟乙烯衬套，可见外观均呈乳白色，与聚四氟乙烯棒原材料外观状态一致（图1）。采用透射光照明分别对失效衬套进行观察，衬套的表面可见轴向裂纹。用体式显微镜对衬套故障部位继续观察发现，衬套裂纹沿轴向基本贯穿衬套外表面（图2）。

图 1 聚四氟乙烯衬套宏观形貌Fig.1 Macroscopic appearance of PTFE bushes

图 2 聚四氟乙烯衬套的裂纹形貌Fig.2 Crack appearance of PTFE bush

1.2 断口分析

采用机械方法将存在裂纹的衬套沿裂纹打开，衬套裂纹断口绝大部分区域微观形貌呈“橄榄球状”结晶特征，个别区域呈丝状形貌（图3）。对聚四氟乙烯衬套的正常部位采用人工的方式打开，与裂纹断口形貌不同，人工断口呈丝状，为典型的撕裂形貌特征（图4）。

2 分析与讨论

图 3 聚四氟乙烯衬套的裂纹断口形貌Fig.3 Fracture surface appearance of PTFE bush

图 4 聚四氟乙烯衬套的人工撕裂断口形貌Fig.4 Man-made fracture surface appearance of PTFE bush

从分子结构来看，聚四氟乙烯是直链状的结晶型热塑性高分子化合物，但当加热到结晶转化点（327 ℃）以上时，聚四氟乙烯呈现出极高的熔体粘度，高达（1010～1011Pa·s），这种无晶质的凝胶态无法流动[7]。聚四氟乙烯树脂即使加热到415 ℃，也不会由高弹态转变为粘流态，其熔融粘度随剪切应力的增加而降低，显示出非牛顿流体的特性。因此，聚四氟乙烯制品不能采用塑料常用的注射、挤出等成型工艺进行生产，只能采用类似“粉末冶金”的冷压与烧结相结合的方法，即首先把颗粒状的聚四氟乙烯树脂均匀地装填到模具中，施加一定的压力使其冷压成型，再于高温烧结炉内以一定的温度烧结成型[8]。所谓烧结，就是将冷压成型后的毛坯加热到327 ℃以上（360～380 ℃），并在此温度下保持一定时间，使聚四氟乙烯大分子链从结晶态逐渐转变为无定形态，分散的树脂颗粒通过互相扩散熔融粘结成一个连续的整体，此时预制品外观由乳白色变为透明状，然后再经冷却，聚合物分子又从无定形态转为结晶态[9]。由于聚四氟乙烯树脂的熔体粘度极高，因此为便于预制品的压制成型，通常在挤压成型前在聚四氟乙烯树脂颗粒中加入助挤剂，可有效降低聚四氟乙烯树脂颗粒之间以及在挤出过程中树脂颗粒与模具壁之间的摩擦力，同时增加树脂颗粒之间的粘和[10]。此外，由于PTFE导热系数小，传热差，烧结时必须注意控制升温速度。因此，要获得良好的PTFE制品，必须严格控制烧结过程[11]。

问题批次聚四氟乙烯棒材的主要生产工艺流程为：原材料预处理→助挤剂混和浸润→推压预成型→干燥→烧结成型→冷却→制品。从图3可以看出，裂纹断口局部区域呈丝状，为聚四氟乙烯基材塑性变形所致，与人工断口形貌一致（图4），大部分区域呈“橄榄球状”结晶形貌，“橄榄球状”结晶颗粒表面较光滑，部分颗粒间粘合成为一体。结合聚四氟乙烯烧结成型工艺过程，分析认为：在聚四氟乙烯与助挤剂混料后，为使助挤剂能充分渗透到聚四氟乙烯树脂间，须在25～30 ℃下放置（陈化）一段时间，在放置浸润过程中由于温度较低，导致局部区域助挤剂没有完全浸润聚四氟乙烯树脂颗粒，从而使树脂颗粒在推压预成型过程中纤维化不均匀，烧结后因应力发生松弛形成分层、裂纹缺陷[12]，分层、裂纹区域内表面纤维化程度不足的聚四氟乙烯树脂在冷却过程再结晶形成“橄榄球”状结晶形貌，聚四氟乙烯成品棒材在机加工过程中原始分层、裂纹缺陷显露并发生扩展形成宏观裂纹。

经生产厂家复查，问题批次聚四氟乙烯棒材生产时间为冬季，在投产前生产车间正在搬迁，为不影响产品交付进度，生产厂家将设备搬至室外组织生产，由于当日环境温度较低，并伴有大风，?导致树脂纤维化温度较低，并最终导致聚四氟乙烯棒材内部产生分层、裂纹。

3 结论

1）聚四氟乙烯衬套裂纹是在聚四氟乙烯棒材生产过程中产生的。因助挤剂在浸润聚四氟乙烯树脂过程中温度较低导致浸润不充分，树脂在推挤过程中纤维化程度不足，并最终在冷却过程中产生分层、裂纹。

2）在聚四氟乙烯棒材生产过程中，应严格控制挤出剂浸润树脂时的温度和时间。