Page 80 - 摩擦学学报2025年第10期

第 10 期 花铝东, 等: 添加相结构对Cu/PTFE复合材料力热学及摩擦磨损性能影响 1477

增强Cu/PTFE复合材料进行了摩擦磨损试验，结果如 25
图10所示. 由图10可知，颗粒增强Cu/PTFE复合材料的 20
摩擦系数随着摩擦时间延长有小幅度上升，分析认为
在摩擦磨损过程中随着摩擦时间的延长，包裹在复合 Wear rate/[10 −4 mm 3 /(N⋅m)] 15
材料基体中的铜颗粒逐渐暴露，铜颗粒作为硬质颗 10
粒，导致摩擦过程中摩擦系数逐渐上升. 三维骨架增
强Cu/PTFE复合材料的摩擦系数略高于PTFE与颗粒 5
增强Cu/PTFE复合材料的摩擦系数，这是由于三维骨 0
PTFE Powder copper/PTFE Foam copper/PTFE
架增强Cu/PTFE复合材料在结构上具有不均匀性，在
Fig. 11 Diagram of wear rate of pure PTFE and
摩擦磨损过程中摩擦对偶在铜骨架和PTFE之间相互
Cu/PTFE composites
交替摩擦，使得摩擦过程中摩擦系数略高于PTFE和 图 11 PTFE及PTFE/Cu复合材料磨损率图
颗粒增强Cu/PTFE复合材料的摩擦系数. 从 图 12(b)可 知 ， PTFE与 GCr15钢 球 相 对 摩 擦 时 ，

0.12 PTFE的剪切强度远小于GCr15钢球，由于刮擦和切削

0.10 作用，表面有细小的犁沟存在. 另外，磨损表面呈现流
Friction coefficient 0.06 晶片与非晶相之间的结合力较弱，在外力作用下产生
线型且大小不一的凸起形貌，这是由于PFTE的带状
0.08
滑移，在摩擦过程中易被拉出结晶区形成不规则凸起
0.04
[29]
Powder copper/PTFE
0.02 PTFE 磨屑 ，且在摩擦热的共同作用下产生了明显的塑性
Foam copper/PTFE 变形. 由图12(d)可以看出，局部放大磨损表面中较亮
0.00
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 的为铜颗粒，较暗的为PTFE，由于金属相铜颗粒的添
Time/10 s
3
加，PTFE的硬度、抗压强度及导热性能得到提升，摩
Fig. 10 Friction coefficient of pure PTFE and Cu/PTFE
擦磨损过程中GCr15钢球对颗粒增强Cu/PTFE复合材
composites
图 10 PTFE及Cu/PTFE复合材料摩擦系数图 料切削作用减轻. 同时磨损表面存在少许的细小凸起
磨屑，摩擦过程中在外力作用下磨损表面塑性形变有
图11所示为不同铜结构PTFE基复合材料磨损率 所减轻. 图13(a)所示为颗粒增强Cu/PTFE复合材料磨
结果. 由图11可知，PTFE、颗粒增强Cu/PTFE复合材料
损后g处[见图12(d)]能谱点扫结果，从元素成分可以
与三维骨架增强Cu/PTFE复合材料的磨损率逐渐降
看出，此处的PTFE基体碳元素含量有所上升，分析认
低. 颗粒增强Cu/PTFE复合材料与三维骨架增强Cu/
为摩擦过程中PTFE结构上发生一定分解，生成了氟
PTFE复合材料由于金属相的添加在一定程度上提升
[30]
碳化合物和游离碳 ，导致碳含量上升.
了其力学性能和导热性能，这将有利于提升材料的耐
由图12(e)可以看出，三维骨架增强Cu/PTFE复合
磨性. 另外，尤其是三维铜骨架在PTFE基复合材料中
材料磨损表面中，明亮部分为铜骨架，较暗的为
形成了连续导热通道，在摩擦磨损过程中，能够将摩
PTFE，同时铜骨架表面有犁沟存在，且少量PTFE被拖
擦热及时散去，减少了摩擦热在磨损过程中的停留，
曳至铜骨架表面，这是由于摩擦过程中摩擦对偶对基
从而更显著地提升了复合材料的耐磨性.
2.6 磨损机制的分析 体的刮擦作用所致. 图13(b)所示为三维骨架增强
图12所示为PTFE、颗粒增强Cu/PTFE复合材料和 Cu/PTFE复合材料磨损后h处[见图12(e)]能谱点扫结
三维骨架增强Cu/PTFE复合材料的磨损表面形貌照 果，结果表明泡沫铜的空隙处有PTFE磨屑的堆积，这
[31]
片. 由图12(a)、(c)和(e)对比看出，由于PTFE硬度较 有利于摩擦磨损过程中转移膜的形成 ，使其具有优
低，承载能力较差，使其磨损后的磨痕宽度相较于颗 异的耐磨性. 从图12(f)可以看出，相较于纯PTFE和铜
粒增强Cu/PTFE复合材料和三维骨架增强Cu/PTFE复 颗粒增强Cu/PTFE的基体，三维骨架增强Cu/PTFE复
合材料的磨痕较宽. 对图12(a)、(c)和(e)中红色区域磨 合材料的基体PTFE磨损程度大大减轻，与上述磨损
痕处组织进行局部放大，结果如图12(b)、(d)和(f)所示. 率结果吻合.