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第53卷•第1()期• 202()年10月A12O 3改性聚四氟乙烯复合涂层的摩擦磨损特性杨 浩，卞 达，郭永信，唐海鹏，赵永武(江南大学机械工程学院，江苏无锡214122)［摘要］为探究不同含量的填料对聚四氟乙烯(PTFE)复合涂层摩擦学性能的影响，以AI2O3作为填料，制备了 不同A12O 3含量的氧化铝/聚四氟乙烯复合涂层，研究了不同A12O 3含量对PTFE 复合涂层的摩擦学性能影响。
采用HT-200摩擦磨损试验机对涂层的摩擦学性能进行测试；通过三维形貌仪以及扫描电子显微镜分析了涂层磨痕微观形貌。
结果表明：AI2O3的添加提高了 PTFE 复合涂层的摩擦系数，而且随着AJO3含量的增大，其摩擦系数逐渐增加；而PTFE 复合涂层的磨损量随着AI2O3的添加而降低，当AI2O3填充量为5%(质量分数)时，其磨损体积从 空白时的1.22x10s ixn?降至9.24X107 pcm 3,磨痕深度降低了 2 pm 。
而且,A12O 3含量越高,PTFE 复合涂层磨损量越小，耐磨性能越优异。
［关键词］氧化铝；聚四氟乙烯；摩擦系数；耐磨性［中图分类号］TQ630.1 ［文献标识码］A ［文章编号］1001-1560(2020)10-0043-04Friction and Wear Characteristics of A12O 3 Modified Polytetrafluoroethylene Composite CoatingsYANG Hao, BIAN Da, GUO Yong-xin, TANG Hai -peng , ZHAO Yong-wu (School of Mechanical Engineering , Jiangnan University , Wuxi 214122, China)Abstract : In order to research the influences of the fillers with different contents on the tribological properties of the polytetrafluoroethylene (PTFE ) composite coatings , the aluminum oxide/PTFE composite coatings with different Al 2 03 contents were prepared by using Al 2 03 asfiller. HT-600 friction/wear tester was employed to test the tribological properties of the coating , and the microscopic morphology of the wearscar was analyzed by three - dimensional profiler and scanning electron microscope. Results showed that the addition of Al 2 03 increased the friction coefficient of PTFE composite coating , and with the increase of A12O 3 content , the friction coefficient gradually increased. However , theabrasion loss of PTFE composite coatings decreased significantly w 让h the addition of A12O 3. When the A12O 3 content increased from 0 to 5% (mass fraction ) , the abrasion volume of the obtained coatings decreased from 1.22x10* pim 3 to 9.24x 107 |xm 3, and the depth of wear scratchdecreased by 2 |xm. Moreover , the higher A12O 3 content led to the smaller wear of the composite coating and the better wear resistance.Key words ： A12O 3 ； polytetrafluoroethylene ； coefficient of friction ； wear resistance0前言聚四氟乙烯(PTFE )是一种优异的自润滑材料，具 有较低的摩擦系数、良好的耐高低温稳定性以及耐腐蚀性能⑴，已被广泛应用于工业、农业生产的各个领 域。
目录中文摘要 (1)英文摘要 (2)第一章绪论 (3)1.1 自润滑复合材料的研究及应用 (3)1.2 自润滑复合材料的类型 (3)1.3 自润滑复合材料及其摩擦学研究现状 (5)1.4 PTFE基三层复合材料的研究及应用 (5)1.5本论文研究的目的及内容 (7)第二章 PTFE三层复合材料实验测试 (8)2.1 实验装置 (8)2.2 实验条件 (9)2.3 实验小结 (10)第三章不同填料组合对复合材料摩擦学性能的影响 (11)3.1 三层复合材料的配方 (11)3.2 干摩擦条件下的实验结果和分析 (11)3.2.1 实验条件 (11)3.2.2 实验结果 (12)3.2.3 实验分析 (13)3.3 边界润滑条件下的实验结果和分析 (22)3.3.1 实验条件 (22)3.3.2 实验结果 (22)3.3.3 实验分析 (23)3.4 油润滑条件下的实验结果和分析 (33)3.4.1 实验条件 (33)3.4.2 实验结果 (33)3.4.3 实验分析 (34)3.5 本章小结 (43)第四章不同填料的PTFE基三层复合材料磨损机理分析 (44)4.1 不同填料加入量对磨损机理的影响 (44)4.1.1 石墨加入对磨损机理的影响 (44)加入对磨损机理的影响 (45)4.1.2 MoS24.2 填料种类对磨损机理的影响 (46)4.3 多种填料协同添加对磨损机理的影响 (47)4.4 本章小结 (49)第五章结论及展望 (50)5.1 结论 (50)5.2 展望 (50)致谢 (50)参考文献 (50)插图清单未找到图形项目表。
图4.1.2干摩擦12#和13#光学显微照错误!未定义书签。
图4.2 干摩擦22#和23#光学显微照 .................................... 错误!未定义书签。
图4.3 干摩擦10#，12#和14#光学显微照 (49)表格清单未找到图形项目表。
耐磨聚四氟乙烯填充件石墨四氟管的用途？一、改性四氟棒介绍ptfe四氟铁氟龙填充石墨管是以聚四氟乙烯塑料为基料，填充石墨增强剂（或者碳纤维等）后制得的增强塑料。
石墨能提高聚四氟乙烯的耐磨性，导热性，自润滑性，导电性，耐热变形等。
适用于耐高温，耐磨，耐腐蚀等环境下使用，除食品，绝缘，氧化剂环境下外，石墨改性（增强，填充）聚四氟乙烯基本能代替原聚四氟乙烯能用的环境。
1.1四氟材料在温度低于-185℃时会变脆，高于260℃时会蠕变裂解，所以不应用于过高的温度。
四氟导热系数较低且线膨胀系数较大在负荷下会发生冷流现象，添加不同的填充剂如玻璃纤维、石墨、二硫化钼、青铜粉等可改善四氟棒的性能。
1.2改性四氟棒使用行业：化工、石化、炼油、氯碱、制酸、磷肥、制药、农药、化纤、染化、焦化、煤气、有机合成、有色冶炼、钢铁、原子能及高纯产品生产（如离子膜电解），粘稠物料输送与操作，卫生要求高度严格的食品、饮料等加工生产部门。
1.3使用设备：管道、阀门、泵、压力容器、热交换器、冷凝器、发电机、空气压缩机、排气管、制冷机等法兰连接处的密封部位。
二、石墨四氟管简介又称：石墨套筒、石墨ptfe管材、石墨聚四氟乙烯管、黑色铁氟龙管、填充聚四氟乙烯模压管材，聚四氟乙烯填充石墨管材，ptfe四氟铁氟龙填充石墨管，改性填充石墨PTFE四氟管，聚四氟乙烯（PTFE）+石墨，新型聚四氟乙烯石墨件。
图1 石墨四氟管来源：深圳丹凯特性：1.使用温度范围十分广泛(摄氏从-200度到+260度)；2.基本上对所有化学物质都具抗腐蚀性除了一些氟化物和碱性金属液。
3.极好的机械性能包括抗老化性特别对于弯曲和摆动方面应用。
4.杰出的阻燃性(符合ASTM-D635 和D470测试步骤，在空气中被归为阻燃材料。
5.优良的绝缘特性(无论其频率和温度如何)。
6.吸水率极低，并具有自润滑性和不粘性等一系列独特的性能。
7、摩擦系数小。
三、填充聚四氟乙烯的加工填充聚四氟乙烯制品选用填充聚四氟乙烯树脂经模塑加工制成。
1．聚四氟乙烯聚四氟乙烯是用于密封的氟塑料之一。
聚四氟乙烯以碳原子为骨架，氟原子对称而均匀地分布在它的周围，构成严密的屏障，使它具有非常宝贵的综合物理机械性能（表14—9）。
聚四氟乙烯对强酸、强碱、强氧化剂有很高的抗蚀性，即使温度较高，也不会发生作用，其耐腐蚀性能甚至超过玻璃、陶瓷、不锈钢以至金、铂，所以，素有“塑料王”之称。
除某些芳烃化合物能使聚四氟乙烯有轻微的溶胀外，对酮类、醇类等有机溶剂均有耐蚀性。
只有熔融态的碱金属及元素氟等在高温下才能对它起作用。
聚四氟乙烯的介电性能优异，绝缘强度及抗电弧性能也很突出，介质损耗角正切值很低，但抗电晕性能不好。
聚四氟乙烯不吸水、不受氧气、紫外线作用、耐候性好，在户外暴露 3 年，抗拉强度几乎保持不变，仅伸长率有所下降。
聚四氟乙烯薄膜与涂层由于有细孔，故能透过水和气体。
表14-9 聚四氟乙烯性能聚四氟乙烯在200℃以上，开始极微量的裂解，即使升温到结晶体熔点327℃，仍裂解很少，每小时失重为万分之二。
但加热至400℃以上热裂解速度逐渐加快，产生有毒气体，因此，聚四氟乙烯烧结温度一般控制在375～380℃。
聚四氟乙烯分子间的范德华引力小，容易产生键间滑动，故聚四氟乙烯具有很低的摩擦系数及不粘性，摩擦系数在已知固体材料中是最低的。
聚四氟乙烯的导热系数小，该性能对其成型工艺及应用影响较大。
其不但导热性差，且线膨胀系数较大，加入填充剂可适当降低线膨胀系数。
在负荷下会发生蠕变现象，亦称作“冷流”，加入填充剂可减轻蠕变程度。
聚四氟乙烯可以添加不同的填充剂，选择的填充剂应基本满足下述要求：能耐380℃高温即四氟制品的烧结温度；与接触的介质不发生反应；与四氟树脂有良好的混入性；能改善四氟制品的耐磨性、冷流性、导热性及线膨胀系数等。
常用的填充剂有无碱无蜡玻璃纤维、石墨、碳纤维、MoS2、A1203、CaF2、焦炭粉及各种金属粉。
如填充玻璃纤维或石墨，可提高四氟制品的耐磨、耐冷流性，填充MoS2可提高其润滑性，填充青铜、钼、镍、铝、银、钨、铁等，可改善导热性，填充聚酰亚胺或聚苯酯，可提高耐磨性，填充聚苯硫醚后能提高抗蠕变能力，保证尺寸稳定等。
石墨填充聚四氟乙烯基复合材料的摩擦学性能李文忠，王黎钦，古乐，郑德志哈尔滨工业大学机电工程学院，黑龙江省哈尔滨市 150001E-mail: wenzhonglee@摘要：为了研制PTFE基粘弹-摩擦型阻尼材料，采用机械共混-冷压成型-烧结的工艺制备了石墨/聚苯硫醚/聚醚醚酮混合填充PTFE基复合材料，利用环-块式磨损试验机，在干摩擦条件下考察了复合材料的摩擦学性能；并用扫描电镜观察了磨损表面形貌，研究了复合材料的磨损机理。
结果表明：PTFE含量不同的复合材料，随石墨填充量的增大，摩擦系数和磨损率的变化趋势不同，磨损主要由犁削、粘着和疲劳剥落中的一种或几种引起；适当配比的PTFE基复合材料具有较好的摩擦阻尼性能，能够满足粘弹-摩擦阻尼材料的要求。
关键词：聚四氟乙烯石墨复合材料摩擦学性能1. 引言聚四氟乙烯（PTFE）具有优异的物理化学性能，耐腐蚀性极强，耐高低温，是一种广泛应用的高性能工程塑料。
利用PTFE的粘弹阻尼和摩擦阻尼耗能，可以在苛刻环境下的机械装置中作为减振部件应用。
为了提高这种减振部件的阻尼性能，需要从提高减振材料的粘弹阻尼和摩擦阻尼两个方面研究。
为此，需要提高材料的摩擦系数，同时也要提高材料的耐磨性，以延长材料的使用寿命。
PTFE自身的摩擦系数很小，且耐磨性很差，限制了在减振工程中的应用。
而当其中添加某些无机颗粒或高分子聚合物后，材料的摩擦系数会提高，同时耐磨性可得到很大的提高，人们已经对填充PTFE复合材料的摩擦磨损性能进行了很多的研究[1~5]。
用于填充PTFE 的材料很多。
聚苯硫醚（PPS）和聚醚醚酮（PEEK）都具有机械强度高、耐热、耐腐蚀、耐磨、抗蠕变等性能，在PTFE中填充可大大改善耐蠕变性和耐磨性；在PTFE中填充石墨可明显提高耐磨性，及压缩蠕变性和导热性。
国内外有关石墨/PPS/PEEK混合填充PTFE基复合材料摩擦学性能的研究还未见报道，本文采用机械共混-冷压成型-烧结的工艺制备了石墨、PPS、PEEK混合填充PTFE复合材料，考察了干摩擦条件下石墨的含量对复合材料摩擦学性能的影响，并研究了材料的磨损机理，期望为PTFE基复合材料在减振中的应用提供依据。
2. 试验部分2.1 原材料PTFE，化工部四川晨光研究院，20～40µm；石墨，青岛莱西光大石墨有限公司，平均粒径2µm； PPS，自贡鸿鹤特种工程塑料有限公司，平均粒径50µm；PEEK，长春吉大高新材料有限责任公司，平均粒径10µm。
2.2 复合材料的制备试验分为两组。
第一组试验中固定PTFE：PPS：PEEK三者的比例为7：1.5：1.5，然后分别添加含本课题得到哈尔滨市科技攻关计划项目基金资助（2004AA2CG126）- 1 -量为0%、5%、10%、15%、20%、25%、30%的石墨。
第二组实验中材料配比为固定PTFE ：PPS ：PEEK 三者为3：1：1，然后添加石墨含量分别为0%、5%、10%、15%、20%、25%、30%。
将不同配比的粉料在高速搅拌机中混合均匀，填入模具内压制成毛坯，然后在烧结炉内以一定的加热程序烧结成型。
2.3 摩擦学性能测试利用环-块式磨损试验机考察材料的摩擦学性能。
复合材料试样为块状，尺寸为6×10×20mm ；对摩环的材料为9Cr18不锈钢，淬火，硬度为HRC61~63，尺寸为内径Φ16mm ，外径Φ40mm ，厚度10mm 。
复合材料试样固定，钢环旋转，转速400r/min ，固定载荷98N ，室温下干摩擦30min 。
试验前，将试样和钢环对摩面用2000#砂纸打磨，然后用丙酮清洗表面，晾干后使用。
试验后，测量试样的磨痕宽度，以此衡量材料的耐磨性。
用S570型扫描电子显微镜观察复合材料磨损表面形貌。
3. 试验结果与分析3.1 材料配比对复合材料摩擦学性能的影响图1a)示出了两组试验的材料摩擦系数随石墨含量变化的曲线。
可以看出，在第一组试验中，当石墨含量低于20%时，随着石墨含量的增大，材料的摩擦系数稍稍降低，而当含量超过这个值后，摩擦系数升高；对于第二组试验，材料的摩擦系数与第一组较为接近，随石墨含量的增加摩擦系数先是降低，超过5%后缓慢升高，然后趋于平稳。
磨痕宽度/m m摩擦系数石墨含量 %石墨含量 %a) 摩擦系数 b)磨痕宽度图1 两组材料的摩擦学性能图1b)为两组试验材料的磨痕宽度与石墨含量的关系曲线，磨痕宽度衡量磨损率的大小。
可以看出，第一组材料的磨损率首先随着石墨的加入而升高，而当石墨含量超过5%后，磨损率降低，最后趋于平稳；第二组材料的磨损率随着石墨含量的增大而稍有升高，但耐磨性比第一组试验材料的稍好。
对于PTFE 含量为70%的第一组复合材料，由于PTFE 含量较高，在材料中添加石墨时，能够与PTFE 共同作用，在对摩面上形成较好的转移膜，从而降低摩擦系数；当石墨达到一定含量时，转移膜中的石墨增多，会导致摩擦系数有所升高。
当添加少量石墨时，石墨颗粒分散在聚合物基体中，因为与聚合物的界面结合强度较差，从而降低了复合材料的抗拉强度，材料容易被粘着和犁削而脱落，使得磨损量增大；而随着石墨含量的提高，较多的石墨颗粒可以承受载荷，参与摩擦，阻止了PTFE 基体大片剥落，向对偶面转移，因此提高了材料的耐磨性。
对于PTFE 含量为60%的第二组复合材料，由于PTFE 含量较低，摩擦过程中在对摩面上不能很好地形成转移膜，而且转移膜的附着性较差，容易从钢环表面脱落，而添加少- 2 -量石墨即可改善转移膜的形成，从而降低摩擦系数；继续增大石墨的含量，则会使转移膜中的石墨增加，使得摩擦系数稍微提高。
而由于无机颗粒石墨的加入，使得材料的强度有所下降，容易受摩擦载荷作用而剥落，导致材料的磨损率增大。
总体来说，经过混合添充改性的PTFE 基复合材料的摩擦系数要比纯PTFE 要大，且耐磨性比纯PTFE 有很大的改善。
3.2 复合材料磨损表面形貌SEM 及磨损机理分析图2示出了几种复合材料的磨损表面形貌SEM 照片。
图2a)为第一组试验中石墨含量为5%的材料的照片，材料磨损表面有明显的塑性变形和犁削痕迹，以及粘着剥落。
这是由于复合材料中PTFE 的含量较高，宏观硬度较低，抗犁削和粘着的能力较差，钢环表面的微凸峰对材料具有很强的犁削作用，由于微切削和粘着作用导致复合材料表层磨损；且在与钢对摩的过程中，由于摩擦温升，材料表面局部发生熔融而造成塑性变形。
图2b)为第一组试验中石墨含量为30%的材料的照片，可以看到，磨损表面有疲劳剥落和粘着的痕迹，而没有明显的犁沟。
这是由于PTFE 在材料中含量降低，而其它硬质相相应的增加，使得材料的宏观硬度有所提高，抗犁削能力得到提高。
当石墨含量较高时，它们分散在聚合物中，摩擦过程中磨损表面的石墨颗粒成为应力集中源，当对偶面上的硬凸峰在复合材料表面滑动时，这些硬质点就受到循环载荷的作用，导致石墨颗粒与基体交界处出现疲劳裂纹，在周期性载荷的作用下裂纹不断扩展，最终导致颗粒脱落，在磨损表面留下剥落坑，出现疲劳磨损。
图2c) 为第二组试验中石墨含量5%的材料的照片，与图2b)类似，磨损表面没有明显的犁沟，只有很浅的疲劳剥落痕迹，说明PTFE 在材料中含量较低时，由于填充硬质相的作用，材料的宏观硬度提高，抗犁削能力得到提高，而分散的石墨颗粒容易引起应力集中，导致疲劳剥落。
图2d) 为第二组试验中石墨含量30%的材料的照片，可见，磨损表面有较大的犁沟和塑性变形以及明显的粘着痕迹。
因为这个试样的石墨含量较高，PTFE 所占比例进一步降低，大量石墨的加入降低了材料的强度，容易发生塑性变形，抗犁削能力变差，同时硬质点破坏了对偶面上的转移膜的连续性，使得钢对复合材料的犁削作用很明显，而且粘着磨损也加重。
c) d) a) b) 图2 复合材料磨损表面形貌4. 结论适当选择PTFE 基复合材料的配比，可以获得具有较高摩擦系数和较好耐磨性的材料；不同配比的复合材料的磨损形式不同，主要由犁削、疲劳剥落和粘着磨损中的一种或几种因素引起。
结合复合材料的粘弹阻尼考虑，适当配比的PTFE 基复合材料具有较好的粘弹阻尼和摩擦阻尼性能，能够在苛刻工况下作为有限寿命的减振结构材料。
- 3 -参考文献[1] Talat Tevruz. Tribological behaviours of carbon filled polytetrafluoroethylene (PTFE) dry journal bearings[J]. Wear, 1998, 221: 61-68.[2] Zhang Z Z, Xue Q J, Liu W M, et al. Friction and wear characteristics of lead and its compounds filledpolytetrapluoroethylene composites under oil lubrication conditions [J]. Tribology International, 1998, 31(7): 361-368.[3] Li F, Hu K, Li J L, et al. The friction and wear characteristics of nanometer ZnO filledpolytetrafluoroethylene [J]. Wear, 2001, 249(10-11): 877-882.[4] 袁荣根．填充聚四氟乙烯摩擦磨损特性[J]．有机氟工业，1998，（2）：15~18．[5] 刘厚才，庞佑霞，郭源君．Ekonol对Ekonol-石墨-PTFE自润滑复合材料的摩擦学性能的影响[J]．润滑与密封，2001，（2）：39~41．Tribological properties of PTFE-based compositesfilled with graphiteLI Wen-zhong, W ANG Li-qin, GU Le, ZHENG De-zhi School of Mechatronics Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin150001, ChinaABSTRACTTo develop viscoelastic-tribological damping material, PTFE-based composites filled with graphite, PPS and PEEK were prepared by mechanical blending, cold compression molding and sintering. With a block-on-ring wear tester, the friction and wear behaviors of composites were investigated under dry sliding condition against 9Cr18 steel. Scanning electron microscope was employed to study worn surfaces of composites. Wear mechanism was analyzed. Results show that the variety trend of friction coefficient and wear-rate of composites are complicated as the content of graphite increases, when the content of PTFE is different. The wear results from one or several factors among fatigue wear, abrasive and adhesion wear. The PTFE-based composite with proper prescription possesses better tribological damping, so it can meet better demands of viscoelastic-tribological damping material synthetically at rigorous conditions.Key words: PTFE; graphite; composite; tribological property李文忠（1976—），男，河北省石家庄人，在读博士，现在哈尔滨工业大学机电工程学院，主要从事粘弹复合材料在轴承支承减振中的应用研究。
