稀土化合物对PTFE基三层复合材料摩擦磨损性能的影响

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)合肥工业大学摩擦学研究所 作者:陈涛

  将混合稀土氧化物分别以粉末和卤化物溶液的方式添加到PTFE材料中,制备几种含铅和聚酰亚胺( PI) 改性无铅PTFE 基三层复合材料,考察稀土氧化物PTFE 基三层复合材料摩擦磨损性能的影响,并分析稀土的作用机制。结果表明:在PTFE 三层复合材料配方中掺杂稀土元素,可以明显提高复合材料各组分之间的界面结合性能,有利于减少摩擦过程中界面龟纹的产生,保持摩擦表面的光洁平整性; 采用稀土卤化物溶液改性PTFE 材料时,稀土元素在PTFE材料中分布更均匀,对PTFE 材料的改性效果更明显。

  聚四氟乙烯(PTFE) 因其非常低的摩擦因数,良好的化学稳定性,而被广泛用于自润滑材料。为了改善PTFE 机械性能差和不耐磨的缺点,常加入填料改性制成PTFE 复合材料使用,在尽量保持低摩擦因数的同时,提高其强度、耐磨性和尺寸稳定性。PTFE 基三层复合材料就是一种PTFE 基改性材料与金属复合,并具有良好强度和减摩性能的自润滑轴承材料,其组织结构如图1 所示。它以冷轧钢板为基体,在冷轧钢板上烧结了一层球形铜粉构成中间层,增大了复合材料与基体的结合强度,并赋予三层复合材料足够的强度、刚性和承载能力。电镀层隔绝了冷轧钢板与空气的直接接触,能有效地防止钢板锈蚀,而轧制复合的表层PTFE 基改性减摩材料则是三层复合材料自润滑功能的核心构成,其性能决定着三层复合材料的优劣。因此,真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为对于三层复合材料的研究集中在表层PTFE 基改性减摩材料性能的改进。

三层复合材料的组织结构

图1 三层复合材料的组织结构

  由于聚四氟乙烯的表面张力小,不黏附任何物质,改性填料的加入易引起复合材料各组分之间的界面结合问题。对此,一些学者尝试了用稀土对复合材料中的填料进行预处理,然后用预处理过的填料制备复合材料,并有了一定的效果。吴炬和程先华研究了稀土改性剂对复合材料性能的影响,认为稀土改性剂能够提高复合材料的界面结合力,从而提高复合材料的拉伸性能。Shangguan Qianqian 和Chen Xianhua认为稀土处理能有效改善碳纤维表面与PTFE的黏结性能。包丹丹认为稀土表面改性比空气氧化以及空气氧化后稀土处理能够更有效地改善碳纤维

  与PTFE 基体的亲和性及界面的结合状态,使碳纤维与PTFE 基体之间的界面具有优异的结合强度及韧性。程先华等研究认为玻璃纤维经稀土表面改性后极大地改善了玻璃纤维与PTFE 基体之间的界面结合力,使稀土改性玻璃纤维填充的PTFE 复合材料具有优异的摩擦磨损性能。目前采用稀土与复合材料共混改性的研究尚未见报道,本文作者考察稀土氧化物与填料共混改性对三层复合材料摩擦磨损性能的影响,并分析了稀土的作用机制,希望通过研究发现较优的稀土元素添加方式,达到提高材料性能并能降低成本的目的。

1、试验方法

  试验选择了2 种稀土氧化物: 氧化镧( La2O3)和氧化钐( Sm2O3) ,以1∶ 1 的方式混合使用。由于稀土氧化物的水溶性较差,在制备PTFE 复合材料试样时采用了2 种稀土添加方式: 一是将稀土氧化物粉末与其他固体组分在高速粉碎机中充分搅拌均匀,再制备三层PTFE 复合材料试样; 一是将稀土氧化物先制成稀土卤化物溶液,再混合到悬浮液中制备PTFE复合材料试样。试验选择了一个比较经典的含铅配方和一个聚酰亚胺( PI) 改性无铅配方,分别制备了不添加及添加稀土化合物的三层复合材料试样共6种,进行摩擦磨损实验分析。实验涉及的试样组合在表1 中列出。

表1 实验试样配方编号

实验试样配方编号

  稀土添加量均为质量分数2% ( 稀土卤化物溶液以稀土化合物计为质量分数2%) 。

  摩擦磨损实验采用合肥工业大学摩擦学研究所研制的HDM-20 端面摩擦磨损试验机,偶件为环形上试样( 内径22 mm,外径30 mm) ,及边长为38 mm 的正方形PTFE 复合材料下试样。实验在干摩擦条件下,以逐级加载和定时定载的方式进行。逐级加载实验加载方案按图2 所示进行,当摩擦力矩达到10 N·m 或是试样下表面温度达到180 ℃时停机。定时定载实验条件为: 线速度0.6 m/s,载荷12 MPa,试验时间60 min。

逐级加载实验加载方案

图2 逐级加载实验加载方案

3、结论

  (1) 将稀土化合物以不同的添加方式对PTFE 基三层复合材料进行改性处理,都可以提高材料在负载条件下的摩擦学性能,尤其是稀土化合物溶液的改性效果最为明显。

  (2) 在PTFE 三层复合材料配方中掺杂稀土元素,可以明显改善复合材料各组分之间的界面结合特性,有利于减少龟裂纹和摩擦表面划痕的产生,保持摩擦表面的光滑平整性,提高材料的摩擦磨损性能。采用稀土化合物溶液改性PTFE 材料,稀土元素分布更均匀,改性效果更好,三层复合材料的综合使用性能也越好。

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