淺析聚合物基自潤滑材料的現(xiàn)狀與進展
摘要:由于聚合物本身具有較低的摩擦系數(shù)，優(yōu)良的機械性能及耐腐蝕性等優(yōu)點，其基自潤滑復合材料具有非常優(yōu)異的摩擦磨損性能，正在被廣泛的應用到減摩領域。本文綜述了聚醚醚酮、聚四氟乙烯及聚酰亞胺等幾種高聚物的摩擦磨損特點及其應用，聚合物基自潤滑復合材料發(fā)展現(xiàn)狀。指出目前聚合物基高性能自潤滑材料的制備途徑主要是通過聚合物與聚合物共混及添加纖維、晶須等來提高基體的機械強度，通過添加各類固體自潤滑劑來提高摩擦性能，有效提高其綜合性能。聚合物基自潤滑材料可取代傳統(tǒng)金屬材料，成為全新的一類耐摩擦磨損材料。
論文關鍵詞：高聚物,復合材料,自潤滑材料,摩擦,磨損
1、 聚醚醚酮(PEEK)
1.1 聚醚醚酮(PEEK)的特點
聚醚醚酮(PEEK)是一種高性能熱塑性高聚物,具有良好機械性能、抗化學腐蝕性和抗輻射性，顯著的熱穩(wěn)定性和耐磨性。它可以在無潤滑、低速高載下或在液體、固體粉塵污染等
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作者簡介：劉良震（1980-），男，助理講師， E-mail：ldcllfz@sina.com
惡劣環(huán)境下使用。因而關于聚醚醚酮及其復合材料的研究越來越受到人們重視。聚醚醚酮是一種半晶態(tài)熱塑性聚合物，為了改善其機械性能，尤其是摩擦學性能，常在其中添加聚四氟乙烯（PTFE）、聚丙烯腈（PAN）和碳纖維（FC）等材料，也可添加顆粒增強型材料或進行特種表面處理等離子體處理等。當聚醚醚酮及其復合材料與金屬材料相互對磨時，通常在金屬表面形成聚合物轉(zhuǎn)移膜，其結(jié)構(gòu)、成分均與原有的聚合物及復合材料不同，其性能、厚度及連續(xù)程度均對摩擦副的摩擦學性能有重大影響[4]。
1.2 對聚醚醚酮(PEEK)摩擦性能的研究
章明秋等人[5,6]對聚醚醚酮(PEEK)在無潤滑滑動條件下磨損產(chǎn)生的磨屑的形態(tài)進行研究，結(jié)果表明，聚醚醚酮(PEEK)的磨屑具有分形特征，其分形維數(shù)與載荷的關系對應于磨損率與載荷的關系，能夠反映聚醚醚酮(PEEK)磨損機制的變化。在給定的試驗條件下，隨著載荷的增大，聚醚醚酮(PEEK)的磨損機制從粘著磨損為主伴隨著疲勞-剝層磨損，進而轉(zhuǎn)變?yōu)闊崴苄粤鲃幽p。
張人佶等[7,8]利用掃描電鏡、掃描微分量熱儀、紅外光譜儀、俄歇電子譜儀等分析手段系統(tǒng)的研究了聚醚醚酮(PEEK)及其復合材料的滑動轉(zhuǎn)移膜，結(jié)果表明：純聚醚醚酮(PEEK)在滑動摩擦過程中形成不連續(xù)的轉(zhuǎn)移膜。聚四氟乙烯(PTFE)的光滑分子結(jié)構(gòu)有助于使轉(zhuǎn)移膜更光滑，固體潤滑效果也更好。在PEEK/FC30中，不僅加入PTFE，而且加入具有層狀結(jié)構(gòu)的石墨，碳纖維磨損后的石墨也同時進入轉(zhuǎn)移膜，使得轉(zhuǎn)移膜的強度和韌性更好，壽命提高。
1.3 聚醚醚酮的應用
聚醚醚酮(PEEK)是一類倍受歡迎的耐磨減摩材料，其承載能力和耐磨性比較強，溫度對其摩擦磨損性能及機械性能影響也不大。這類自潤滑復合材料可用于制作飛機上的耐熱、耐有機溶劑的連接件，汽車軸承支架、活塞密封、發(fā)動機的傳動裝置，精密電子設備等零部件。但由于聚醚醚酮(PEEK)本身的價格高且成型加工困難，在普通的工程應用中受到了很大的限制[9]。
2 聚四氟乙烯(PTFE)
2.1聚四氟乙烯(PTFE)低摩擦系數(shù)特點
聚四氟乙烯(PTFE)是一種耐熱性聚合物，其分子結(jié)構(gòu)規(guī)整、靜摩擦系數(shù)很小。當聚四氟乙烯(PTFE)與其它物體對摩時，由于聚四氟乙烯(PTFE)大分子容易被拉出結(jié)晶區(qū)，因而在摩擦之初就向?qū)δγ孓D(zhuǎn)移，以庫倫力和范德華力在對摩面上形成一層20～30nm厚的薄膜，這層薄膜的大分子按滑動方向高度取向，從而摩擦系數(shù)很低[10]。另外，在摩擦過程中還會發(fā)生摩擦化學反應，能夠影響轉(zhuǎn)移膜的生成及其完整性[11]。由于聚四氟乙烯(PTFE)的表面能極低，其轉(zhuǎn)移膜在對摩面上的附著性較差，導致聚四氟乙烯(PTFE)做摩擦材料時具有嚴重的磨損。同時，由于聚四氟乙烯(PTFE)的彈性模量小而線膨脹系數(shù)大，承載能力低，使其作為摩擦件使用受到了限制。為了改善聚四氟乙烯(PTFE)的耐磨性，許多學者進行了卓有成效的研究工作。目前對聚四氟乙烯(PTFE)進行改性的方法主要有兩個方面：一方面通過堿金屬溶液、輝光放電以及等離子體對聚四氟乙烯(PTFE)材料表面進行改性處理；另一方面通過向聚四氟乙烯(PTFE)內(nèi)填充纖維、無機粉末和有機高分子填料完成改性。這些填料的加入，除了提高了聚四氟乙烯(PTFE)的耐磨性以外，還可以提高其硬度和剛度使制品具有良好的抗蠕變性和尺寸穩(wěn)定性[12]。
2.2 對聚四氟乙烯(PTFE)摩擦性能的研究
張招柱等人[13]采用3種金屬氧化物對聚四氟乙烯(PTFE)進行改性，實驗發(fā)現(xiàn)，添加Pb3O4使聚四氟乙烯(PTFE)的摩擦系數(shù)略有增大，而添加Pb3O4或Cu2O都能使聚四氟乙烯(PTFE)的摩擦系數(shù)有所減小,其中以Pb3O4的減摩效果較好。這3種材料在負荷低于300N時，摩擦系數(shù)始終隨負荷的增大而減小。3種填充聚四氟乙烯(PTFE)復合材料的耐磨性都遠比純PTFE的好，均隨負荷的增大而增大，其中以Pb3O4的減磨效果最好。
文獻[14]還研究了Cu, Pb及Ni 3種不同金屬顆粒對PTFE進行改性的影響，發(fā)現(xiàn)Ni增大了復合材料的摩擦系數(shù)，而Cu及Pb則降低了復合材料的摩擦系數(shù)，但摩擦系數(shù)減小的幅度不是很大。金屬填料大大改善了復合材料的耐磨性，使其磨損量比純PTFE材料降低了1-2個數(shù)量級，其中：Cu的減磨效果最好，Ni的效果次之，Pb的效果最差。
張招柱等人[15,16]用稀土化合物CeO2、CeF2和La2O3填充PTFE復合材料，發(fā)現(xiàn)這些化合物能使PTFE的耐磨性顯著提高。
楊文光等人[17]以碳纖維增強 PTFE制成自潤滑軸承，這種軸承自潤滑性好、耐磨性高而且具有優(yōu)良的防污染性和防腐蝕性，能把灰塵、金屬等微粒包容于PTFE的界面以下，減少了對摩擦副之間的磨損。
文獻[18]對碳纖維、玻璃纖維及鈦酸鉀K2Ti6O13晶須增強PTFE復合材料在干摩擦條件下與GCr15軸承鋼對磨時的磨損性能進行了研究，發(fā)現(xiàn)玻璃纖維的減磨效果最好，K2 Ti6O13晶須的減磨效果最差。
楊生榮等人[19]用金屬纖維FST和FCu對PTFE進行改性，結(jié)果如下：2種纖維增強對摩擦系數(shù)的影響都不大，往復次數(shù)增多，PTFE + 30 %FST復合材料的摩擦系數(shù)有所上升，PTFE +30 %FCu復合材料的摩擦系數(shù)略有下降。
黃麗等人[20]研究了碳纖維不同混合方式對PTFE復合材料性能可產(chǎn)生重要影響，研究發(fā)現(xiàn)，從力學性能上看，氣流混合試樣的沖擊強度比機械混合試樣提高了13%，兩者硬度差別不大，但氣流混合試樣的磨耗量也增加了39%。另外，還考察了碳纖維長度的不同對摩擦系數(shù)的影響，隨著碳纖維長度的增大，PTFE復合材料的摩擦系數(shù)增加。這主要是由于隨碳纖維長度的增加，在機械混合的過程中，纖維容易形成絮團吸附物，因而在壓制的過程中，就會使得制品表面的坑洼程度大，使制品的粗糙度增加，在與金屬件對磨時，機械嚙合和切削碰撞就比較顯著，導致滑動困難，使摩擦系數(shù)增大，同時磨耗量相應增大。
2.3聚四氟乙烯(PTFE)的應用
聚四氟乙烯(PTFE)自潤滑復合材料在常規(guī)環(huán)境下具有較優(yōu)異的摩擦磨損性能，因而它的應用范圍比較廣泛，可以作為軸承、導軌、滾動軸承保持架、活塞環(huán)和葉片等。需要指出的是，通常所說的PTFE的摩擦系數(shù)為0.104，是指PTFE自摩擦時，而且是在新打磨的表面上以低于0.1011m/s的速度進行滑移時才能獲得的。在0.15～4m/ s 的速度范圍內(nèi)，PTFE的摩擦系數(shù)為0.12左右。另外，PTFE基自潤滑復合材料與金屬相比，存在線膨脹系數(shù)較大、導熱性較差的缺陷。
3 聚酰亞胺(PI)
3.1聚酰亞胺(PI)的摩擦學性能
聚酰亞胺(PI)的摩擦性能僅次于聚四氟乙烯(PTFE)，在干摩擦下與金屬對摩時，可以向?qū)δγ姘l(fā)生轉(zhuǎn)移，起到自潤滑作用，并且靜摩擦系數(shù)與動摩擦系數(shù)很接近，防止爬行的能力好。根據(jù)聚酰亞胺(PI)固體潤滑摩擦學特性的不同，F(xiàn)usaro[21]將聚酰亞胺(PI)分為兩類：第1類 PI具有較低的摩擦系數(shù)，但磨損率較高，在摩擦過程中，粘著磨損占主導地位，表面層脆，斷裂后產(chǎn)生較大的磨屑覆蓋于膜痕表面；第2類PI具有較高的摩擦系數(shù)，但磨損率較低，磨損表面較粗糙，磨痕邊緣粘附細微磨屑。PI的磨損有以下兩種情況[22]：①PI在摩擦過程中因粘著、犁耕、微切削等作用而逐漸磨損，導致底材暴露而失效；②PI很快磨損至與金屬底材相結(jié)合的界面層，然后形成一薄層潤滑膜，并能維持很長一段時間的低摩擦磨損。由于PI在實際使用過程中均要加入各種潤滑填料，因此PI復合材料的磨損過程大部分表現(xiàn)為第②種情況。
3.2聚酰亞胺(PI)的改性處理
為了得到理想的摩擦磨損性能，人們用石墨、MoS2以及玻璃纖維對PI進行改性。楊生榮等人[23]通過離子注入的方法對PI進行改性來提高材料的耐磨性，如分別將 N+和Fe+離子注入芳香PI薄膜，結(jié)果降低了鋼對PI膜的摩擦系數(shù)。這是由于離子加入可以有效的改善 PI膜的自潤滑性能，可以提高聚合物的硬度，增大交聯(lián)度，降低其與鋼摩擦時的粘著，從而提高聚合物的耐磨性。此外離子注入過程中通常會在被注入物質(zhì)的表面形成一層極薄的無定型碳膜，同時也起到一定的潤滑作用。所得復合材料除了具有優(yōu)異的摩擦磨損性能外，還具有良好的機械性能，常用來制作耐高溫和高真空的自潤滑軸承、壓縮機活塞環(huán)、密封圈和齒輪等。
展望
高聚物基自潤滑復合材料具有非常優(yōu)異的摩擦磨損性能，克服了普通聚合物的一些缺點，正逐步取代傳統(tǒng)的金屬材料，成為摩擦磨損材料的全新的發(fā)展方向之一。
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