Page 83 - 《摩擦学学报》2021年第2期

228 摩 擦
德华力，没有形成共价键，并且纯聚四氟乙烯在界面
作用范围内的径向分布函数值要高于氮化碳/聚四氟
乙烯复合材料的，说明在界面处纯聚四氟乙烯分子链
较多，而在距离摩擦界面较远的范围内，纯聚四氟乙
烯的径向分布函数值小于氮化碳/聚四氟乙烯复合材
料的，该结果与原子浓度分布曲线相一致，说明氮化
碳的加入可以使更多的聚四氟乙烯链聚集在基体中
心位置，更少的分子链出现在摩擦界面处，进而减少
了聚四氟乙烯与金属铜之间的相互作用，提高了聚四
氟乙烯的耐磨性.
最后从两种材料在摩擦过程中能量变化的角度
分析摩擦磨损机理，通过摩擦结果轨迹文件中提取两
种材料的总势能变化，如图9所示，可以明显看出，随
着摩擦的进行，在摩擦初始阶段能量逐渐增高，然后
趋于稳定，与摩擦系数的变化趋势一致. 说明在摩擦
过程中材料内能不断增加，导致系统能量逐渐增加，
但是从两种材料能量对比发现，纯聚四氟乙烯的总能
量始终要高于氮化碳/聚四氟乙烯，这说明在相同条件
下，纯聚四氟乙烯由于较高的摩擦系数导致摩擦界面
能耗较高，被材料所吸收，而氮化碳/聚四氟乙烯复合
材料的低摩擦系数导致系统能耗较低，这也与摩擦界
面温升变化曲线一致.
2.2 机械性能
利用恒应变法 [24-25] 获得纯聚四氟乙烯与氮化碳/
聚四氟乙烯复合材料的机械性能，部分性能列于表1中.
从表1可以看出，氮化碳改性后，聚四氟乙烯的杨
氏模量提高了218%，剪切模量提高了141%. 分析增强
机理如下：由于聚四氟乙烯基体与增强相氮化碳之间
的相互作用，当基体受到外力作用时，外力会通过聚
−4.8
Total potential energy/(10 4 kcal/mol) −5.2 度研究了聚合物纳米复合材料与金属的相互作用机
−5.0
−5.4
−5.6
−5.8
−6.0
−6.2
0 200 400
Time/ps
Fig. 9 The total potential energy profiles of the PTFE and experiments[J]. Wear, 2020, 448: 448–449.
C 3 N 4 /PTFE composite
图 9 纯聚四氟乙烯与氮化碳/聚四氟乙烯模型系统总势能
变化曲线
学 学 报 第 41 卷
表 1 纯聚四氟乙烯和氮化碳/聚四氟乙烯复合材料
部分性能参数
Table 1 Some parameters of pure PTFE and
C 3 N 4 /PTFE composite
Proportion Density/ Young Shear
Samples
offillers(w) (g/cm ) modulus/GPa stress/GPa
3
Pure PTFE - 1.90 0.326 0.241
C 3 N 4 /PTFE 2% 1.92 0.713 0.341
四氟乙烯与氮化碳界面的相互作用传递到氮化碳材
料上，由于氮化碳自身优异的力学性质，要达到与纯
聚四氟乙烯相同的应变，需要更大的拉伸力. 所以氮
化碳/聚四氟乙烯复合材料的杨氏模量要高于纯聚四
氟乙烯的，同样需要更大的剪切力才能达到与纯聚四
氟乙烯基体相同的剪切应变，因而剪切模量也优于纯
聚四氟乙烯. 同时，由于剪切模量的提高，氮化碳/聚四
氟乙烯复合材料在摩擦过程中不容易被剪切变形，聚
四氟乙烯分子链受到氮化碳的吸附与增强提高了整
体耐磨性，这与摩擦系数的降低与耐磨性的提高结果
一致.
3 结论
a. 利用分子动力学模拟发现，纯聚四氟乙烯的摩
擦系数为0.144，磨损率为27.6%. 利用氮化碳改性后，
聚四氟乙烯的摩擦系数降至0.118，降低了18.1%，在
相同条件下耐磨性得到明显提高.
b. 从摩擦界面微观信息分析发现，纯聚四氟乙烯
与对偶铜在摩擦界面处原子浓度较高、运动速度较
快、摩擦界面温升较大，系统总能量较高. 而加入氮化
碳后，部分聚四氟乙烯分子链吸附在氮化碳表面，降
低了与对偶铜的相互作用，导致界面处原子相对浓度
较低，原子运动速度、温度和系统总能量较低，有助于
Pure PTFE 降低界面的摩擦和磨损.
c. 氮化碳改性后，聚四氟乙烯的杨氏模量提高了
218%，剪切模量提高了141%，该研究从原子和分子尺
C 3 N 4 /PTFE
理，也为预测无机纳米材料增强聚合物复合材料的机
械性能和摩擦学性能提供了一种新的方法.
参 考 文 献
600 [ 1 ] Zhang Y H, Fu Y H, Hua X J, et al. Wear debris of friction materials
for linear standing-wave ultrasonic motors: Theory and
[ 2 ] Zeng S S, Li J B, Zhou N N, et al. Improving the wear resistance of
PTFE-based friction material used in ultrasonic motors by laser
surface texturing[J]. Tribology International, 2020, 141: 105910.