金属衬背型自润滑复合材料及其摩擦性能研究进展*

金属衬背型自润滑复合材料通过复合一层金属基底,使材料具备了机械性能强、润滑性能好、可靠性高的特点,从最早应用于航天航空发展至现今于各民用领域的广泛应用。综述近年来国内外金属衬背型自润滑复合材料组分构成,即金属衬背与润滑填料的种类与作用,认为应选择研究综合性能更优、温度适用范围更广的金属衬背,且应加强多填料混合摩擦机制研究;比较金属衬背型自润滑复合材料的制备工艺各自的优缺点,即黏接处理、激光熔覆与微弧氧化,认为制备工艺需进一步改进以提升复合材料摩擦学性能、结合强度、材料可靠性等以适应更高的使用要求,同时也应关注新兴制备工艺的研究开发;介绍金属衬背型自润滑复合材料的摩擦磨损机制研究,认为未来需对润滑层失效机制进行深入研究,并需结合金属衬背与环境等因素对材料摩擦学性能造成的影响进行分析。     

碳纤维/聚醚醚酮(CF/PEEK)复合材料摩擦磨损性能及抗摩擦静电特性研究

利用真空热压烧结技术制备了不同碳纤含量的碳纤维/聚醚醚酮(CF/PEEK)复合材料,采用热导率分析仪和热重测试仪对材料的热学性能进行表征,并利用多功能摩擦磨损试验机、三维形貌轮廓仪、扫描电子显微镜和摩擦静电计对材料的摩擦磨损性能和抗摩擦静电性能进行分析。分析结果表明：随着CF添加量的增加,复合材料摩擦因数、磨损率和摩擦静电电压先降低后升高,当CF添加量(质量分数)为20%时,摩擦因数、磨损率和摩擦静电电压达到最低,分别为0.247、5.6×10^-6 mm/(N·m)和3.3 V,证明此种方法制备的20%CF/PEEK材料具有优异的摩擦磨损性能和抗静电性能。CF/PEEK复合材料磨损机理以黏着磨损为主,并且伴随着轻微的磨粒磨损。     

高承载PEEK背衬型润滑复合材料的摩擦学性能

研制了一种适用于高负荷条件下运行的PEEK背衬型自润滑复合材料，考察了该材料的摩擦学性能及显微结构。结果表明：高负荷条件下，复合材料受到微切削和微犁沟作用，在对偶面产生较厚的转移膜，使材料磨损率下降。     

沥青基碳纤维增强环氧模塑料的摩擦磨损性能

分别在干摩、注水润滑条件下,研究了沥青基碳纤维增强环氧模塑料中碳纤维含量的改变对摩擦磨损性能的影响。结果表明,干摩和注水润滑下,碳纤维含量的改变对模塑料的摩擦系数影响不大,而显著影响其磨损性能,当纤维含量为６０％时,比磨耗率最小。滴水和注水的润滑效果相当,两者都显著降低摩擦系数,减小比磨耗率。当加入玻璃纤维后,无论其含量多少,都会显著提高摩擦系数,增大磨损率。     

锡青铜基自润滑复合材料摩擦磨损性能研究

采用冷压烧结方法制备了短碳纤维增强锡青铜基自润滑复合材料和ZQSn663锡青铜,对其力学性能及摩擦磨损性能进行了对比研究,并对磨损机制进行了讨论.结果表明,当碳纤维体积分数小于12%时,锡青铜自润滑复合材料的力学性能优于ZQSn663锡青铜,磨损率和摩擦因数低于ZQSn663锡青铜.当碳纤维体积分数达到12%时,复合材料的摩擦磨损性能达到最佳.扫描电镜和EDS分析结果表明,ZQSn663锡青铜的磨损是以粘着和磨粒磨损共存的机制,以粘着磨损为主;锡青铜自润滑复合材料的磨损是粘着磨损和氧化磨损共同作用的结果.     

高承载下自润滑纤维织物复合材料摩擦磨损性能研究

采用轴-瓦式摩擦磨损试验机研究高载荷条件下自润滑纤维织物复合材料的摩擦磨损性能;利用扫描电子显微镜（SEM）观察复合材料以及对偶轴套磨损表面的形貌,并分析探讨摩擦磨损机制。结果表明：自润滑纤维织物复合材料能够承受载荷400 MPa、摆动次数25 000次的摩擦磨损试验,且摩擦磨损性能与载荷有明显的相关性;其摩擦因数随着载荷的增加而变小,磨损深度随着载荷的增加而变大;低载荷条件下,其磨损机制以黏着磨损为主,高载荷条件下,磨损机制以磨粒磨损为主。     

摩擦化学反应对环氧复合材料摩擦性能的影响

碳纤维和纳米粒子混杂填充环氧复合材料对其减摩耐磨性能的提高具有协同效用。为了研究其协同作用机制,用X射线光电子能谱仪(XPS)对材料摩擦前后磨损面进行分析;用与扫描电镜联用的X射线能谱仪(EDS)对摩擦后的对偶面进行分析;用纳米闪光导热仪对材料的导热系数进行分析;用热分析仪对材料磨损面热性能进行分析。结果表明,复合材料中碳纤维增加了基体的导热性,纳米粒子增强了基体的力学性能,减弱了分子链的氧化降解反应,混杂填料兼备两方面的因素且互相促进,在提高复合材料的减摩耐磨性中表现出协同效应。     

WC/Co干滑动CFT700/PEEK的摩擦磨损特性研究

使用MTF-5000高集成多功能摩擦磨损试验机进行热塑性碳纤维复合材料(CF_T700/PEEK)销和硬质合金(WC-Co)盘的摩擦磨损试验,对比并揭示了变载荷(30N,60N,90N,120N,150N)和变线速度(50mm/s, 100mm/s, 150mm/s, 200mm/s, 250mm/s, 300mm/s)下的销盘摩擦磨损机理,为提升硬质合金刀具使用寿命提供了理论指导。     

锡青铜-钢背双金属固体自润滑复合材料的摩擦性能研究

采用粉末冶金工艺制备含石墨固体润滑剂的锡青铜-钢背复合材料,研究了石墨含量对材料的硬度、显微组织和摩擦磨损性能的影响,并考察了摩擦磨损机制。结果表明:在含石墨的青铜-钢背双金属材料中,随着石墨含量的增加,材料的硬度逐渐降低,摩擦磨损性能逐渐改善,但是其显微组织的均匀性也逐渐变差;在石墨含量为3%～5%(质量分数)时,双金属材料既具有较好的摩擦磨损性能,同时表面铜合金层与钢背的黏结强度也很高;随着速度和负荷的增加,材料的摩擦因数降低,磨损增加;摩擦过程中,石墨在摩擦面上成膜是材料具有减摩自润滑性能的主要原因。     

Sliding Wear of the Hybrid Kevlar/PTFE Fabric Reinforced Phenolic Composite Filled with Nano-titania

The Kevlar/polytetrafluroethylene(Kevlar/PTFE) fabric composite can be used as a self-lubricating liner of the self-lubricating bearing.Many types of nano-particles can improve the tribological performance of the polymer-based composite.Unfortunately,up to now,published work on the effect of nano-particles on the tribological performance of the fabric composite which can be used as a self-lubricating liner is quite scarce.Therefore,for the purpose of exploring a way to significantly improve the tribological performance of the fabric composite,the tribological performance of the Kevlar/PTFE fabric composite filled with nano-titania is evaluated by using the block-on-ring wear tester.The scanning electron microscopy is utilized to observe the morphologies of worn surfaces of the fabric composites and the counterparts.The tensile properties of the composites are evaluated on the universal material testing machine.The test results show that the addition of nano-titania at a proper mass fraction of the matrix resin improves the wear resistance and the tensile strength,decreases the friction coefficient,and makes the wear volume of the composite reach a relative steady state more quickly;plastic deformation and microcutting are important for the wear of the fabric composite;a lubricating layer is formed on the worn surface of the composite during sliding,and the lubricating layer is critical for the tribological performance of the composite;the formation and properties of the lubricating layer are influenced by the nano-titania particles.The proposed study on the effect of nano-titania on the tribological performance of the Kevlar/PTFE fabric composite,especially on the evolution of the worn surface of the composite,provides the basis for further understanding of the influence mechanism of the nano-particles on the tribological performance of the composite and explores a method of improving the tribological performance of the composite.     

碳织物增强聚合物基自润滑材料摩擦学性能研究进展

从聚合物基体、组分改性、碳织物增强工艺、材料摩擦磨损机制等方面综述碳织物增强树脂基自润滑复合材料摩擦学研究现状。比较热塑性与热固性树脂基体在该类材料中的应用特点,介绍聚合物本体改性和减摩增强填料改性提高摩擦学性能的各种方法,总结当前摩擦学研究中碳织物增强制备工艺及典型材料的摩擦学性能,指出减摩机制、磨损形式、摩擦温升为该类材料摩擦学性能研究中关注的焦点。温度范围广、力学性能优良、易加工成型、无污染的新型材料与成型工艺为今后碳织物增强聚合物基自润滑复合材料摩擦学研究中的首选。     

碳管分散程度对环氧树脂复合材料的摩擦磨损性能影响

采用浇铸法,制备多壁碳纳米管(MWNTs)/环氧树脂(EP)复合材料,利用M-200摩擦磨损试验机研究了MWNTs含量、分散时间及方式对环氧复合材料摩擦磨损性能影响,通过SEM、TEM分析试样磨损形貌表面、MWNTs分散程度。结果表明:碳纳米管添加量1.5%(质量分数)时,MWNTs/EP复合材料比环氧树脂摩擦因数降低17.8%,磨耗率降低91.7%;加入碳纳米管降低了复合材料粘着磨损与疲劳剥落;延长超声波时间及采用高功率超声波仪器能够有效提高碳纳米管分散程度,提高复合材料摩擦磨损性能。     

PTFE/7075铝合金镶嵌型自润滑材料的摩擦学行为

采用模压／烧结工艺制备了PTFE／7075铝合金镶嵌型自润滑复合材料,在往复式摩擦磨损试验机上进行了摩擦磨损试验,用扫描电镜观察了复合材料磨损后的表面形貌,并探究了其磨损机理。结果表明:在试验条件下,稳态后摩擦温度为51℃,摩擦因数为0．087,磨损率为0．38×10-3mm3／(Nm),和非镶嵌型PTFE基复合材料相比,导热性和耐磨性大大提高,而摩擦因数无明显增加;稳定磨损阶段主要表现为粘着磨损,同时伴有轻微磨粒磨损,磨损后期局部呈现疲劳特征。     

CrNiMo钢在高速干滑动条件下摩擦表面的组织变化研究

在MMS-1G型高速干滑动摩擦磨损试验机上,采用CrNiMo钢作为销试样,与H96黄铜盘配副,进行了高速干滑动摩擦磨损试验,研究其高速干滑动摩擦磨损性能。对试验后的试样沿纵切面进行微观组织分析,探讨摩擦表面在试验前后及不同试验参数条件下的组织变化。结果表明,在高速干滑动条件下,CrNiMo钢材料的摩擦磨损性能随滑动速度的增加存在突变,其微观组织摩擦后沿纵切面发生了较大变化,且摩擦表面组织随滑动速度增加,发生了回复再结晶及碳化物的析出和长大。     

聚酰亚胺复合材料与不同金属间干滑动时的摩擦学性能

采用MPX-2000型摩擦磨损试验机研究了聚四氟乙烯和二硫化钼填充聚酰亚胺复合材料在干滑动摩擦条件下与45钢、镍铬合金、铜和铝对磨时的摩擦磨损性能,并利用扫描电子显微镜和光学显微镜分析了复合材料及对偶件的磨损表面形貌。结果表明:复合材料与铝对磨时的摩擦因数和磨损率最低,分别约为与钢摩擦时的43%和49%;摩擦后铝表面形成均匀连续的转移膜,45钢、镍铬合金和铜的表面没有形成有效转移膜,因此复合材料的摩擦因数较大;复合材料与不同金属材料摩擦时的磨损机理主要是粘着磨损与疲劳磨损。     

高强铝合金-PTFE纺织复合材料的摩擦磨损性能

将PTFE纺织复合材料粘结到高强铝合金背衬上,制备成铝合金-PTFE纺织复合材料。选择航空工业常用的3层复合材料(DU)作对比实验。摩擦磨损实验在摆动实验机上完成,实验条件为:载荷为10~80MPa,摆动频率8次/min,摆角为±30°,相对湿度(70±5)%。实验结果证实铝合金-PTFE纺织复合材料的摩擦因数大约0.055,摆动磨损寿命大约2.5万次,均优于DU材料。可见,这种高比强的新型复合材料适用于航空航天工业。     

石墨共混改性热塑性聚酰亚胺梯度复合材料干摩擦磨损性能

采用叠层法制备石墨/热塑性聚酰亚胺梯度复合材料,用电子万能试验机、扫描电子显微镜以及MPX-2000型摩擦磨损试验机研究其力学性能、干滑动下的摩擦磨损性能及磨损机制,并与机械共混法制备的均质复合材料进行比较。结果表明:梯度材料各梯度层结合良好,相邻两梯度层之间形成了过渡层,层间界面消失,性能呈梯度分布;干摩擦条件下,梯度复合材料的摩擦磨损性能优于相同石墨含量的均质材料;梯度材料的磨损机制是微切削磨损、表面剥落和磨粒磨损的综合作用。     

青铜-石墨热喷涂层在干摩擦和水润滑条件下的摩擦磨损性能

在MM-200摩擦磨损试验机上研究了青铜-石墨热喷涂层在干摩擦和水润滑条件下的摩擦磨损性能,采用扫描电镜(SEM)对磨损表面形貌进行了观测和采用X射线能谱分析(XPS)分析了涂层成分。结果表明,在水润滑条件下涂层摩擦因数和磨损率均低于干摩擦条件下;在水润滑条件下磨损机制为轻微磨粒磨损和犁削磨损,在干摩擦下主要是较为严重的粘着磨损和犁削。这是由于水润滑降低了摩擦副界面温度,提高了石墨润滑膜的韧性,改善了润滑效果,从而阻止了粘着磨损的发生,水还促进了钢偶件表面致密氧化膜的形成,从而减轻磨损。因此水润滑对涂层磨损性能有较大影响。