聚四氟乙烯纤维基层压材料的摩擦学行为研究

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)中科院兰州化学物理研究所 作者:严云峰

  以无碱玻璃纤维布作为基材,以浸渍有聚四氟乙烯的棉纤维布为表层,以环氧树脂为黏合剂,经热压制备聚四氟乙烯纤维基层压材料;采用MRH-03 型高速环- 块摩擦磨损试验机研究其在空气、纯水、海水介质中的摩擦学行为,利用扫描电镜观察并分析磨损表面的形貌及摩擦形式。结果表明,与基底材料相比,增加聚四氟乙烯棉纤维布后,材料的摩擦性能有明显的改善; 加入水作为润滑介质后,由于水膜边界润滑的作用,特别是由于海水作为润滑介质时摩擦产生的淤泥状的Mg(OH)2和CaCO3的自润滑作用,摩擦因数和磨损率进一步减小。

  海洋作为一个庞大的资源库,早已成为21 世纪科学家们急于探索的对象之一。开发海洋离不开先进的技术设备,各种作业工具在使用过程中同样不能缺少摩擦元件和系统,但是海洋特殊的水环境使得常用的陆用装备不能正常使用或者使用寿命大大缩短,这就给摩擦学研究者提出了巨大的挑战。传统的材料在使用过程中很难同时满足海水下的各种要求,所以高强度、低密度、耐腐蚀、摩擦性能好、绿色环保的材料就成为了当今海洋材料学的热点。

  聚四氟乙烯(PTFE) 具有优异的自润滑性、化学惰性、较高的热稳定性和较低的吸水率,是一种最常用的自润滑材料,它的抗磨损性能也早就被全世界广泛认可。但是真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为较为遗憾的是它的力学性能较低且易发生蠕变,在摩擦过程中,它的带状结构在剪应力下容易发生滑移和拔出,所以单纯的PTFE 材料在使用中往往会出现早期失效或者是密封泄漏等问题。本文作者对一种PTFE 纤维基层压的特殊材料的摩擦性能进行了研究,并与其在干摩擦、纯水中的摩擦学行为对比,探讨了其在海水中的摩擦化学特性。

1、实验研究

  1. 1、海水配置

  实验所采用的人工海水按照ASTM D 1141-98 配置,该标准中采用的各种组分的浓度为许多独立海域海水组分可靠分析后的平均值,并用0.1 mol /L 的NaOH 溶液将其PH 调为8.20,其中氯的质量浓度为19.38 g /L。表1 给出了所配置人工海水的化学成分及质量浓度。

表1 海水的化学成分及质量浓度

海水的化学成分及质量浓度

  1. 2、实验材料

  实验所采用的材料为复合黏接材料,基底为环氧玻璃布层压板(褐色) ,是由无碱玻璃纤维布作为基材,环氧树脂作为黏合剂经热压而成,上层为浸渍有聚四氟乙烯的棉纤维布。其中层压板提供了整个材料的结构支撑,也加大了硬度强度等物理性能,PTFE 则提高了材料的耐磨,抗腐蚀,阻燃等化学性能。整体材料的密度为1.804 g /cm3 ,邵氏硬度为78。

  1. 3、实验装置与实验方法

  摩擦磨损实验采用济南摩擦磨损实验厂生产的MRH-03 型高速环- 块摩擦磨损试验机。摩擦副的接触方式如图1 所示。上摩擦试块为待检测的PTFE纤维基层压材料样品,尺寸为19 mm × 12 mm ×4 mm;下摩擦副环为316 不锈钢钢环(各组分的质量分数:≤0.08% C,≤1.00% Si,≤2.00% Mn,≤0.035% P,≤0.03% S,10.0% ~14.0% Ni,16.0% ~18.5% Cr,2.0% ~3.0% Mo,剩余的为Fe) ,其显微硬度为HV 347,尺寸为49.22 mm ×13.06 mm。

摩擦副接触方式示意图

图1 摩擦副接触方式示意图( mm)

3、结论

  (1) 对制备的粘有聚四氟乙烯布的环氧玻璃布层压板进行摩擦学实验,结果表明,聚四氟乙烯纤维基层压材料相比基底材料摩擦性能有明显的改善,在载荷200 N、转速200 r /min 条件下摩擦因数和磨损率分别降低了42.9%和64.4%。

  (2) 在海水、纯水和空气3 种不同介质下,复合材料的摩擦因数(μ) 和磨损率(K) 由大到小排序分别为: μ干摩擦> μ纯水> μ海水和K干摩擦> K纯水> K海水。当加入水作为润滑介质后,由于水膜边界润滑的作用,有明显的减磨效果; 当加入海水作为润滑介质后,海水中的Mg2+ 和Ca2+ 在弱碱性条件下形成淤泥状的Mg(OH)2和CaCO3,在摩擦时附着在摩擦副表面,不但有自润滑作用而且阻止了摩擦副的直接接触,从而使得摩擦因数和磨损率进一步减小。

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