硅灰石及多元外因对PTFE复合材料摩擦学性能的影响

摘要

聚四氟乙烯(PTFE)以其优异的自润滑性能和低摩擦特性，在摩擦学领域一直是研究的热点。本课题组用钛酸钾晶须(PTW)增强PTFE，开发出性能优异的耐磨复合材料，作为无油润滑压缩机活塞环产品已得到广泛的应用。
　　 产品工业应用不断追求的目标就是高质量低成本，由于PTW的价格相比一些矿物填料较高，本文希望在课题组已有的对PTFE复合材料摩擦学性能的理论研究和工业应用的基础上，借鉴PTW增强PTFE复合材料的机理，选择一种价格相对低廉的填料填充PTFE，在满足性能的前提下降低成本。因此本文基于硅灰石价格低廉、形貌接近PTW的特点，首先研究了硅灰石合适的表面改性方式，在此基础上考察了硅灰石尺寸和形貌对PTFE摩擦学性能的影响，并通过硅灰石与碳纤维(CF)的协同效应增强PTFE复合材料，尝试开发性能优异的PTFE复合材料以指导工业应用。
　　 同时无油润滑压缩机PTFE活塞环在使用过程中，温度、压力、载荷都是影响其使用寿命重要的外部因素，本课题组通过实验室研究模拟实际工况，提出了寿命预测方程，这对活塞环的选材、寿命设计和使用有着重要指导意义。但是，在研究过程中，由于实验室装置的局限，摩擦面温度不可控，无法考察其对复合材料耐磨性能的影响，而在实际工况当中，由于压缩气体和冷却水的作用，使得摩擦面温度往往为一定值，这样，实验室的测试条件就不能很好的同实际工况相吻和。另一方面，传统的方法评价材料耐磨性时，接触面温度往往不加控制，导致在苛刻的条件如高载、高速下摩擦面温度急剧升高，严重影响到材料的耐磨性能，甚至会对材料摩擦学性能的优劣照成误判，鉴与此，为了能够真实的模拟实际工况环境，准确的评价材料的摩擦学性能，本文在MPX-2000摩擦试验机上自主设计了摩擦面温度可控的装置，实现了摩擦面温度独立可控，考察其与速度、载荷多元外因对复合材料摩擦学性能的影响，为摩擦材料的选择和优化提供应用指导。
　　 研究发现硅烷偶联剂相比其它改性剂更加适合硅灰石/PTFE体系，通过硅烷偶联剂改性硅灰石，复合材料耐磨性能相比未改性提高了近40％。
　　 研究发现，在低载荷下，对于同样尺寸的硅灰石填料，粒状填料比纤维状填料填充的PTFE复合材料有着更好的耐磨性；而对于纤维状硅灰石填料，小尺寸填料填充的PTFE复合材料有着更加优越的耐磨性能。在高载荷下，情况则完全相反，此时大尺寸及纤维状填料填充的PTFE复合材料的耐磨性能更加优越。
　　 研究发现，大尺寸的CF填料与小尺寸的硅灰石纤维填料，能够在尺寸上形成互补作用，协同增强PTFE，从而进一步大大降低材料的磨损量，其耐磨性能与PTW填充的PTFE复合材料相当，而硅灰石价格仅为PTW的1/100，有望实现工业应用。
　　 针对以往评价体系中摩擦面温度不可控，本文自主开发了摩擦面控温装置，控温误差达到±5℃，可以很好的满足实验需求，真实的模拟实际工况。研究表明通过控制摩擦面温度可以将材料的测试极限条件由载荷500N、速度1.4m/s分别提高到900N、3.68m/s，能够在更加苛刻的条件下准确全面的研究和评价PTFE复合材料的摩擦学性能。
　　 在接触面温度可控的基础上，研究结果表明，190℃是PTFE复合材料的耐磨性能转变的温度转折点，当摩擦面温度低于此，材料耐磨性能随载荷变化不明显，高于此温度，材料的磨损率随载荷的增加急剧上升。当接触面温度不超过190℃时，通过固定速度增加载荷可以有效的提高材料的极限PV值，这将为无油润滑压缩机的参数设计如活塞环的承受载荷、运行速率、使用温度等提供重要参考依据。确定了PTFE活塞坏的安全工作区域，可以有效的指导活塞环密封件在不同工况下安全合理的使用，对减少设备的损坏，避免事故的发生具有重要的意义。