Page 15 - 《摩擦学学报》2020年第6期

698 摩 擦 学 学 报 第 40 卷

debris and promoted the formation of the transfer film.
Key words: BBD-response surface method; PTFE composites; surface texture; friction transfer mechanism; transfer film

聚四氟乙烯(PTFE)具有极低的摩擦系数、优异的 1 试验部分
化学稳定性和油脂相容性，是最常用的固体润滑材料
1.1 试验材料及制备
[1]
之一 ，但机械强度差、黏弹性变形大、磨损率高，阻碍
研究采用的聚四氟乙烯(PTFE)悬浮粉，牌号为
了其在苛刻工况环境下的应用，通常采用软/硬相填料
3
M18F，平均粒径为25 μm，密度2.20 g/cm ，日本大金
复配改性的方法改善其力学性能和摩擦学性能. 硬质
珠式会社生产；聚苯酯(POB)，平均粒径为15 μm，密度
的纳米填料可以提高PTFE基体的承载力、抗磨性以
3
1.45 g/cm ，中蓝晨光化工研究院工程塑料公司生产；
及抗蠕变性能，软质的聚合物填料在成型过程中对改
纳米二氧化硅(nano-SiO )粉，平均粒径为20 nm，南京
2
[2]
善PTFE分子链缠结起到了关键作用 . 聚合物在摩擦
先丰纳米材料科技有限公司生产. 将PTFE、POB和
过程中一般都会形成摩擦转移膜，转移膜对减小摩擦
nano-SiO 按重量比(84 g:15 g:1 g)称量，利用气流粉碎
2
和磨损意义重大，转移膜的形成机理、内部结构、厚度
机混合3遍，使得纳米粒子均匀分散于复合材料中；再
[3]
和稳定性已成为聚合物摩擦学的主要研究对象 .
利用机械式高速混合机混合5遍，防止混合物各组分
利用表面织构技术在对偶表面上加工出具有一
因密度不同而导致分层. 混合完成后，过45目筛，静置
定尺寸、形状和排列规则的微结构，是促进转移膜形
24 h后模压成型. 模具材质为GCr15轴承钢，试样规格
[5]
成、改善聚合物摩擦学性能的有效手段 [4-8] . Li等 采用
为 ϕ4 mm×15 mm，压制压力为30 MPa，保压时间为3 min，
激光法在CuSn6合金表面制备了栅格型、环型及星型
卸除压力后脱模，除去样品毛边，静置24 h后烧结. 烧
微织构，研究了抛光前后织构形貌对PTFE摩擦磨损
结程序如图1所示，烧结完成后试样随炉自然冷却.
性能的影响，发现抛光前的织构表面明显降低了PTFE

的摩擦系数，星形织构表面摩擦系数最低，三种织构
500
[6]
均增加了PTFE的磨损率. Menezes等 研究发现，超高 450
400 370 ℃
分子量聚乙烯的摩擦系数主要依赖于表面织构，转移 350 327 ℃
膜的形成依赖于摩擦系数，表面织构对摩擦系数和转 300
移膜形成的影响归因于其对摩擦元件的迟滞作用. 此 Temperature/℃ 250
200
外，研究者广泛认为，表面织构可以捕获磨屑、保留润 150
100
滑剂，有利于消除磨粒磨损，促进转移膜的形成，还可 50
Room temperature
以使接触面受力更加均匀，增加承载能力 [9-13] ，微/纳米 0
−50
级表面织构还可以通过减小真实接触面积来减小摩 −60 0 60 120 180 240 300 360 420 480 540 600
Heating time/min
擦 [14-15] . 然而，表面织构的几何参数及其交互作用对
Fig. 1 PTFE composites sintering procedure
PTFE复合材料摩擦学性能的影响极其复杂，须借助 图 1 聚四氟乙烯复合材料烧结工艺
数学统计工具才能系统地设计和分析各参数及其交
互作用对复合材料摩擦学性能的影响规律. 对偶盘材质为GCr15轴承钢，尺寸为 ϕ50 mm×
Box-Benhnken Design(BBD)是一种常用的响应面 8 mm，研磨、抛光后表面粗糙度R <0.1 μm. 利用大族
a
设计方法(RSM)，通过对具有代表性的各因素进行试 HM20-Ⅰ型光纤激光打标器进行表面织构加工，加工
验，回归拟合全局范围内各因素与结果间的函数关 后对试样表面再次抛光，去除表面熔渣和毛刺.
系，可获得精度高、预测性好的非线性数学模型，从而 1.2 试验方法
分析各因素对试验结果的影响规律 [16-22] . 因此，通过 采用LSR-2M型往复摩擦磨损试验机测试材料的
Design-Expert软件，采用BBD响应面法设计具有代表 摩擦磨损性能. 摩擦副接触示意图如图2所示. 试验条
性的表面织构，并对试验结果进行深入、系统的分析， 件如下：室温环境，往复速度100 times/min(0.033 m/s)，
研究微织构参数及其交互作用对软硬相填充改性 载荷75 N(6 MPa)，往复行程10 mm，试验时间60 min，
PTFE复合材料摩擦磨损性能的影响规律，是表面织 总行程120 m，每组试验重复3次，摩擦系数和体积磨
构设计和复合材料摩擦学性能优化的新途径. 损率取3次试验的平均值. 采用FEI高分辨率场发射扫