碳纳米管改性聚四氟乙烯复合材料的摩擦磨损性能研究_曲建俊

碳纳米管改性聚偏氟乙烯复合材料研究进展引言聚偏氟乙烯（PVDF）是一种热塑性的可溶性高分子材料，具有优异的耐化学腐蚀性、电介质性和耐磨性，在航空航天、电子、医疗和能源等领域具有广泛的应用。

PVDF材料在力学性能、导热性能和导电性能方面存在不足，限制了其在一些特殊领域的应用。

为了克服PVDF材料的缺陷，人们采用了碳纳米管（CNTs）等纳米材料对PVDF进行了改性，以期提高PVDF复合材料的力学性能、导热性能和导电性能。

本文主要综述了碳纳米管改性PVDF复合材料的研究进展，探讨了相关研究的最新成果和存在的问题。

碳纳米管改性PVDF复合材料的制备方法目前，碳纳米管改性PVDF复合材料的制备方法主要包括溶液共混法、熔融共混法和电纺丝法。

溶液共混法是将碳纳米管和PVDF分散在有机溶剂中，通过搅拌和超声处理使其均匀分散，然后通过溶剂挥发或凝固剂沉淀将其制备成薄膜、薄片或纤维。

熔融共混法是将碳纳米管和PVDF在高温下混合均匀，然后通过挤出、压延或注塑成型制备复合材料。

电纺丝法是将碳纳米管和PVDF共溶于有机溶剂中，然后通过电场作用使其形成纤维，最终制备成纳米纤维膜或纺丝丝束。

还有一些其他的制备方法，如冷冻干燥法、溶液旋涂法和原位聚合法等。

这些方法在实际应用中各有优缺点，需要根据具体情况选择合适的制备方法。

碳纳米管改性PVDF复合材料的性能研究碳纳米管改性PVDF复合材料的研究主要集中在力学性能、导热性能和导电性能方面。

在力学性能方面，许多研究表明，适量的碳纳米管添加能够显著提高PVDF复合材料的强度和韧性，使其具有更好的抗拉强度、弹性模量和断裂韧性。

这是因为碳纳米管具有很高的拉伸模量和强韧性，能够有效地增强PVDF基体的力学性能。

在导热性能方面，碳纳米管具有优异的导热性能，能够有效地提高PVDF复合材料的热导率，使其具有更好的导热性能。

在导电性能方面，碳纳米管具有优异的导电性能，能够有效地提高PVDF复合材料的导电性能，使其具有更好的导电性能。

力学与材料学院综合课程设计（论文）题目：碳纳米管改性聚四氟乙烯复合材料的 摩擦磨损性能研究材料科学与工程09级 0917020218 张继院申明霞二零一二年六月中国 南京 摘要：评价了用不同含量碳纳米管（CNTs ）改性聚四氟乙烯 （PTFE ）复合材料的力学性能，利用MM-200型摩擦磨损试验机研究 了 专业年级学号 姓 名 梧畀勤怖CNTs含量对PTFE复合材料摩擦磨损性能的影响，借助于扫描电子显微镜观察分析了试样磨损表面及磨屑形貌，并探讨其磨损机理•结果表明:CNTs能够提高PTFE复合材料的硬度和冲击强度，在本文研究范围内，当CNTs的质量分数为7%时,PTFE复合材料的力学性能最佳;CNTs 能够增加PTFE复合材料的摩擦系数、降低其磨损量，当其质量分数为10%时,PTFE复合材料的耐磨损性能最佳•纤维状碳纳米管可以阻止PTFE带状结构的大面积破坏，以及在摩擦过程中于偶件表面能够形成转移膜并隔离复合材料与偶件的直接接触是其减摩耐磨作用的主要原因.利用纳米材料（例如蒙脱土、纳米CaC03、纳米Si3N4、纳米SiO2、纳米TiO2、纳米金刚石和碳纳米管等）填充改性聚合物的研究已很广泛并取得了可喜成果［1~5］.其中碳纳米管（CNTs）是最富特征的一维纳米材料，其长度为微米级，直径为纳米级，具有极高的长径比（一般大于1 000）和超强的力学性能，其应用已涉及到纳米电子器件、催化剂载体、电极材料、储氢材料和复合材料等诸多领域［4,5］. 目前，碳纳米管在聚合物中的应用主要集中在导电聚合物和光电聚合物的改性中［6］. PTFE是1种最常用的自润滑材料，其具有摩擦系数低、耐高低温、有极优异的介电和电绝缘性、化学稳定性好和阻燃等性能，但其硬度低且耐磨性差•通常采用玻璃纤维、石墨、M O S2、炭纤维及青铜粉等填充PTFE［7~10］.随着科学技术发展和PTFE应用日益增加，人们也在探索新的改性填料，如纳米材料［1 1 ］和热致液晶高分子材斜［12］等.然而，尖于碳纳米管对PTFE的改性效果研究较少•本文作者研究碳纳米管填充PTFE复合材料的力学和摩擦磨损性能，探讨碳纳米管的改性机理，为制备新型PTFE复合材料提供理论依据•1实验部分1 -1原材料PTFE粉为白色粉末，平均粒径25卩m,为四川晨光化学工业集团生产. 碳纳米管为多壁碳纳米管，呈黑色粉末状，直径10-40 nm,长度150-200卩m纯度＞95%,为广州亿安新能源公司生产.1 -2样品制备将碳纳米管按质量分数分别为0.1%、0.3%、1%、3%、5%、7%和10%添加到PTFE中•为了保证碳纳米管在PTFE中达到纳米尺度分散，先在无水乙醇和丙酮混合液中用超声波和高速机械搅拌使两者充分混合，然后加热使乙醇和丙酮完全挥发，再将混合后的碳纳米管和PTFE置于模具中冷压成型，经375C烧结后得到复合材料试样，每种复合材料各制备3件,单件规格均为6 mmx 10 mm x 90 mm以供试验使用.同时制备相同规格的纯PTFE试样3件用于性能对比试验•1 -3实验方法冲击强度试验按照GB5765-86在XCJ-40型简支梁式摆锤冲击试验机上进行，冲击能量为4J.6采用HR150型洛氏硬度计测量其硬度•采用MM-200型摩擦磨损试验机（按照GB3960-83）评价其摩擦磨损试验，PTFE复合材料试样和偶件45#钢环表面均经过1 200#砂纸抛光,表面粗糙度Ra为0.2卩m,所用转速为200 r/min,载荷98 N,摩擦时间30 min,在干摩擦滑动条件下测定试样的摩擦系数和磨损量•采用光学显微镜和日立X-650型扫描电子显微镜(SEM)观察试样和偶件钢环的表面形貌并分析其磨损机理.Fig 1 V ariat ions of hardness of PTFE com posilr w hh (: NT 生roti teiil图1 PTFE复合材料的硬度随碳纳来管含屋变化的矢系曲线2结果与讨论2.1力学性能碳纳米管填充PTFE复合材料的硬度测试结果见图 1 •可见,碳纳米管能够提高PTFE的硬度，当碳纳米管质量分数为7%时,PTFE复合材料的硬度最大(98.17HRM),比PTFE的硬度(84.83HRM)提高了15.7%.图2所示为不同含量的碳纳米管填充PTFE复合材料的冲击强度测试结果•可以看出，碳纳米管可以提高PTFE的冲击强度，当碳纳米管质量的分数为7%时,PTFE复合材料的冲击强度达到最大值(41.74 kJ/m2), 比PTFE的冲击强度(31.56kJ/m2)提高了32%.OF ig 2 V aria lions o f im intrnsil v of PT F E positr w it I* (n IS P s cnnlenl图2 PT I I：复合材料的冲LU强度随碳纳米管含量变化的尖系曲线2.2摩擦磨损性能图3所示为碳纳米管填充PTFE复合材料的摩擦系数随碳纳米管含量变化的尖系曲线•可以看出，在本文的研究范围内,PTFE复合材料的摩擦系数随着碳纳米管含量的增加而增大，当含量为10%时摩擦系数达到0.207.图4所示为碳纳米管填充PTFE 复合材料的磨损量随碳纳米管含量变化的矢系曲线•可以看出，碳纳米管能够有效地降低PTFE磨损量•在本文研究的范围以内，PTFE复合材料的磨损量随着碳纳米管含量增加而明显减小，当含量为10%时磨痕宽度仅为5.66mm.PTFE composite with CNT A content图3 PT KI:貝合材料的摩擦系数随碳纳米管倉屋变化的矢系曲线68 10Contents of CNTs 附/%Fig 4 Variations of w ear w idth of PTFE compositeiv ith (*NT H cojbhuil图4 PT FE复合材料的磨痕宽度随碳纳米管含凰变化的天系曲线2.3磨损机理分析图5所示为PTFE试样和不同含量碳纳米管填损表面也有条状磨痕［图5(b)］,而在含5%和10%的碳纳米管试样的磨损表面上无明显条状磨痕，且随着碳纳米管含量增加磨痕明显减小•同时还发现，摩擦磨损试验中产生的磨屑呈现片状形态，并且随着碳纳米管含量增加，磨屑尺寸越来越小•分析认为，由于PTFE的硬度和剪切强度比金属低，在摩擦过程中磨损主要发生在PTFE本身PTFE的磨损本质在于外力使大分子链发生滑移或断裂，材料被拉出结晶区并转移到偶件表面从而造成粘着磨损［门］•碳纳米管的强度和长径比为炭纤维的10倍以上［5］,当碳纳米管填充PTFE后不仅阻止了PTFE带状结构的大面积破坏，改变了磨屑的形成机理，使其由纯PTFE的大块片状磨屑转变为复合材料的小磨屑，而且具有一定的承载作用，从而提高了PTFE的性能•此外，采用光学显微镜观察与PTFE 和碳纳米管填充PTFE 复合材料试样对摩的 钢环磨损表面形貌（如图6所示）可见，与纯PTFE 相比,10%碳纳米管 填 充PTFE 复合材料对摩的钢环表面存在明显的转移物，几乎覆盖了钢 环表面的加工痕迹，而且在试验中发现随着碳纳米管含量增加，对摩钢 环表面的转移物也明显增多•在试验结束时，用脱棉球很难擦掉这些转移 物，表明在钢环表面形成的转移物较牢固 •同时还发现，随着碳纳米 管含量增加，对摩钢环表面更容易形成转移膜，转移膜隔离了复合材料 试样与偶件钢环的直接接触，使摩擦在复合材料和转移膜之间进行，阻 止了 PTFE 向对偶表面的转移，降低了 PTFE 复合材料的磨损量.lifI 5更介材扌 『 Un 形貌的s 卜：帖腮片Ejm 3PTFI ： (M l ?TFE+ IftCNTsPT 卜卜 Lpi 5 HEMfd) PI KH+ T i] Iril FIFE riHlii3结论a. 碳纳米管能够提高PTFE的硬度和冲击强度，当碳纳米管含量为7时,PTFE复合材料的硬度和冲击强度达到最大值.b. PTFE复合材料的摩擦系数随着碳纳米管含量的增加而增大，而磨损量随着碳纳米管含量的增加而明显减小•在本文研究的范围内，当碳纳米管的质量分数为10%时,PTFE复合材料的耐磨性能最佳.c. 碳纳米管起到耐磨作用的主要原因是碳纳米管的纤维状结构阻止了PTFE带状结构的大面积破坏和具有一定的承载作用；此外,在摩擦过程中，复合材料在偶件表面形成的转移膜也起到了隔离复合材料与偶件的直接接触，从而降低PTFE的磨损量•。

不同纳米材料填充聚四氟乙烯复合材料的力学性能研究3顾红艳,何春霞,史丽萍(南京农业大学工学院,江苏,南京　210031) 摘要:对不同纳米材料Si 3N 4、Si C 、石墨、碳纳米管(C NTs )填充聚四氟乙烯(PTFE )复合材料进行了拉伸和硬度试验,观察了复合材料拉伸断面的微观结构。

结果表明:几种填料均能不同程度地提高PTFE 的硬度。

不同填料对PTFE 拉伸性能的影响不同,纳米Si C 填充PTFE 有较好的拉伸性能,碳纳米管的加入会使PTFE 拉伸强度和断裂伸长率降幅较大,其复合材料呈脆性破坏。

纳米Si C 在PTFE 基体中有较好的分散性,其与PTFE 基体界面结合较好,而纳米Si 3N 4在PTFE 中分散性不好,纳米石墨和碳纳米管与PTFE 基体的界面结合不好。

当Si C 的质量分数为3%时,其综合性能最佳。

关键词:纳米材料;填充改性;PTFE;复合材料;力学性能中图分类号:T B332,T Q325.4　文献标识码:A 文章编号:1001-9456(2008)05-0086-03M echan i ca l Property of PTFE Com posites F illed w ith D i fferen t Nano 2M a ter i a lG U Hong 2yan,HE Chun 2xia,S H IL i 2p ing(College of Engineering,Nanjing Agricultural University,Nanjing,J iangsu 210031,China ) Abstract:The mechanical p r operties of polytetrafluor oethylene (PTFE )composites filled with nano 2Si 3N 4,Si C,graphiteand carbon nano 2tubes (CNTs )were investigated .The m icr ostructures of tensile fracture surface f or the composites were observed .The results showed that all fillers could increase hardness of PTFE composite and had different effects on tensile p r operty for different fillers,and nano 2Si C /PTFE composite had good tensile p r operty es pecially .The C NTs could make tensile strength and breaking el ongati on decreasing and leading brittle failure f or the composite .Nano 2Si C was better dis persi on in PTFE,and had good bonding with PTFE matrix,nano 2Si 3N 4was poor dis persi on in PTFE,nano 2graphite and carbon nano 2tubes had poor bonding with PTFE .W hen the mass content of Si C was 3%,the composite had the best integrated behavi or .Key words:nano 2material;filled modificati on;PTFE;composite;mechanical p r operty 聚四氟乙烯(PTFE )有优良的耐热性、耐腐蚀性及优异的减摩性和自润滑性,是一种重要的用于滑动摩擦零件的复合材料基体,在化工、电子电气及机械行业等领域得到了广泛的应用。

碳纳米管改性聚四氟乙烯复合材料的摩擦磨损性能研究的报告，600字本报告旨在研究碳纳米管改性聚四氟乙烯(PVDF)复合材料的摩擦磨损性能。

为此，我们采用了一系列的实验以研究他们的摩擦和磨损性能。

在实验室里，我们使用短碳纳米管改性的PVDF复合材料，作为基础材料，进行了两组实验，一组实验使用多羟基甲酸酐（GH）作为改性剂，另一组实验则使用纤维素醇磷酸酯（HFPO）作为改性剂。

在实验中，接触面的材料通过硬度试验和粗糙度测量来选择，以能够得到较好的摩擦磨损性能。

实验还通过摩擦测试、磨损测试、扫描电子显微镜（SEM）、X射线能谱（XPS）和X射线衍射（XRD）等方法来衡量和监测摩擦磨损性能。

通过现有的研究结果，我们发现，在使用GH和HFPO改性PVDF复合材料时，PVDF复合材料的摩擦磨损性能与改性剂的浓度有关。

当改性剂浓度增加时，PVDF复合材料的摩擦磨损性能也相应提升。

在GH改性的情况下，随着改性剂浓度的增加，摩擦系数和磨损因子也不断降低。

而在HFPO改性的情况下，当改性剂浓度超过一定值时，摩擦系数和磨损因子开始出现上升趋势，表明这种改性后材料的摩擦磨损性能会受到一定的影响。

从实验结果可以看出，在碳纳米管改性的PVDF复合材料中使用GH和HFPO改性剂可以改善材料的摩擦磨损性能，因此可以更好地满足工程应用的需要。

但是，对于HFPO改性的情况，如果改性剂浓度超过一定值，摩擦磨损性能就会降低，因此，希望在进一步研究中可以找到一种有效的方法去抑制这种现象。

综上所述，本研究结果表明，碳纳米管改性的PVDF复合材料可以通过使用合适的改性剂，改善其摩擦磨损性能，在不同改性剂浓度下表现出不同的结果。

进一步研究仍然需要进行，以便更加全面理解材料的摩擦磨损性能，并探讨有用的工程应用。

含碳纳米管、石墨烯的PTFE基复合材料摩擦磨损性能见雪珍;李华;房光强;曾庆平;杨磊;康红梅;刘河洲【摘要】Modified the surface of CNT and graphene by grafting carboxyl group and amino group,and prepared CNT/PTFE composites and graphene/PTFE composites.Improved the dispersion of nano-reinforcements in PTFE matrix and enhanced the interface bonding via inductive effect between surface functional groups in nano-reinforcements and fluorine atom in PTFE surface.The friction and wear research results shows that grafting a-mino group in nano-reinforcements’su rface improved composites’friction and wear properties best,and un-modified reinforcements presented worst posites of 1wt% reinforcements content showed the lest wear rate both CNT/PTFE composites and graphene/PTFE T in PTFE matrix can effec-tively bear loads,avoid microscopic tearing resulted by shear force,so the wear rate of composites can reduce significantly,the largest decline was 69.6%,apart from bearing load,graphene can also form a lubricating film, reducing the friction coefficient and the wear rate of the composite,of which the wear rate felled as much as 73.9%.%对碳纳米管和石墨烯进行了表面羧基、氨基接枝改性，并制备了碳纳米管/聚四氟乙烯和石墨烯/聚四氟乙烯复合材料.利用表面官能团的供电性和聚四氟乙烯表面氟的强电负性的诱导效应，改善了纳米增强体在基体中的分散性，并实现了纳米增强体/基体界面的强化.复合材料摩擦磨损性能研究结果显示，两类碳系纳米增强体中，均为经过氨基化接枝改性者对复合材料摩擦磨损性能的改善效果最优，而未经改性的增强体最差.两种复合材料均为增强体含量为1％(质量分数)时磨损率最低.碳纳米管在 PTFE 基体中可有效承载，避免基体在载荷剪切下形成的微观撕裂，使得复合材料的磨损率明显降低，最大降幅为69．6％；石墨烯除具有承载功能外，还可以有效地形成转移膜，降低复合材料摩擦系数，复合材料磨损率的降幅更高达73．9％.【期刊名称】《功能材料》【年(卷),期】2014(000)003【总页数】6页(P03011-03016)【关键词】碳纳米管;石墨烯;表面处理;聚四氟乙烯;摩擦磨损【作者】见雪珍;李华;房光强;曾庆平;杨磊;康红梅;刘河洲【作者单位】上海交通大学金属基复合材料国家重点实验室，上海 200240;上海交通大学金属基复合材料国家重点实验室，上海 200240;上海交通大学金属基复合材料国家重点实验室，上海 200240;上海交通大学金属基复合材料国家重点实验室，上海 200240;上海交通大学金属基复合材料国家重点实验室，上海200240;上海交通大学金属基复合材料国家重点实验室，上海 200240;上海交通大学金属基复合材料国家重点实验室，上海 200240【正文语种】中文【中图分类】TB3321 引言聚四氟乙烯（PTFE）具有优良的自润滑性能、耐热、耐化学腐蚀与介电性能，在化工、机械、航空等领域有广泛应用［1］。

碳纳米管/聚四氟乙烯复合材料场发射特性研究摘要：因为碳纳米管及其复合材料具有优异的场发射特性，在真空场发射器件尤其是平板显示器方面具有巨大的应用前景，吸引了众多学者的广泛关注。

本文研究制作了碳纳米管／聚四氟乙烯复合材料场发射阴极，研究了其场发射特性和实际应用优势。

关键词：碳纳米管，聚四氟乙烯，复合材料，场发射，真空封装1.纳米管及其复合材料1.1碳纳米管的发现及其结构碳纳米管是石墨管状晶体，是单层或多层石墨片围绕中心按一定的螺旋角卷曲而成的无缝中空纳米级管，每层纳米管是一个由碳原子通过sp2杂化与周围3个碳原子完全键合后所构成的六边形平面组成的圆柱面。

但是由于存在一定曲率，其中也有一小部碳分属sp3杂化。

其平面的六角晶胞边长为2.46，而最短的c-c键长为1.42。

如图1-2所示。

碳纳米管直径一般为几纳米到上百纳米，长度可达数微米。

单壁碳纳米管可看成是由石墨平面卷曲而成，并在其两端罩上碳原子的封闭曲面，而多壁碳纳米管则是若干个单壁管同心套叠而成。

碳纳米管是一维晶体，石墨平面的卷曲方式决定着管子的直径、螺旋性及其晶格常数，也决定着碳纳米管的物理性质。

单壁碳纳米管的结构可以简单的由手性矢量C h和平移矢量T定义的单元胞来解释。

如图2所示，其中手性矢量C h=n a l+m a2=(n,m)，a l,a2表示二维石墨片层结构的基矢，n,m为整数。

n=m时的碳纳米管称为armchair型，m=O时的碳纳米管称为zigzag型。

同时定义螺旋角θ为手性矢量C h相对于基矢a l方向的夹角，并规定0˙≤θ≤30˙，这些碳纳米管统称为chial型。

将石墨片层沿手性矢量的方向进行卷曲，使该矢量的两端衔接，构成了碳纳米管的圆周。

碳纳米管准一维的几何构型使电子在径向受限，这种量子限制效应要求碳纳米管中的电子态必须满足其径向的周期性边界条件，其结果便是原二维石墨层的电子态只有一部分保留并相互分离，导致了不同手性和直径的碳纳米管在导电能力上的差别。

碳纤维增强聚四氟乙烯耐磨材料的研究孙春峰Ξ　李　丽　张旺玺　王艳芝(山东大学材料学院,济南250061) 通过冷压成型和烧结固化工艺制备了不同配方下碳纤维增强聚四氟乙烯(PTFE )试样,并对其进行了机械性能、耐磨损性能测试,用扫描电镜进行了组织结构观察。

结果表明:随着碳纤维质量分数的增加,碳纤维增强PTFE 材料的冲击性能有所下降;而拉伸强度和硬度则呈递增趋势,抗磨损性能明显提高;碳纤维与PTFE 在偶联剂的作用下能够很好相容。

关键词:碳纤维　碳纤维增强PTFE 偶联剂 聚四氟乙烯(PTFE )具有摩擦系数低,耐磨损性能优异的特性,而且是使用范围很宽的自润滑材料;但存在线胀系数大,耐蠕变性能差,硬度低,导热差等缺点。

为了克服PTFE 的这些缺点,人们尝试用不同填料和增强纤维提高其蠕变性、硬度、热导性等方面的研究工作也正在深入进行[1]。

碳纤维增强聚四氟乙烯(CFRPTFE )复合材料的耐磨性好,同时具有良好的耐化学性能和较高的机械性能,应用范围非常广泛[2]。

1　实验部分111　原料PTFE:工业品,济南化工厂;短切碳纤维(CF ):自制;偶联剂:焦磷酸型钛酸酯偶联剂(NDZ 2201),南京曙光化工总厂。

112　成型工艺以加偶联剂的CFRPTFE 制品成型工艺为例,其成型工艺如下:113　性能测试按G B/T 1043-93进行冲击性能测试;按G B/T 1040-92进行拉伸性能测试;按G B 2411-80进行邵氏硬度测试;按G B 3960-83进行摩擦磨损性能测试。

2　结果与讨论211　CFRPTFE 的抗冲击性能及硬度图1为碳纤维用量对无缺口冲击强度和硬度影响。

从图1中可以看出:随着碳纤维质量分数的增加,CFRPTFE 的冲击性能呈递减趋势;而邵氏硬度D 则呈增加趋势。

图1还可以看出,偶联剂能提高CFRPTFE 材料的冲击强度和硬度。

图1　碳纤维用量对无缺口冲击强度和硬度影响Fig 1　E ffects of carbon fiber content on non 2notchedimpact strength and hardness 1,3-无偶联剂;2,4-有偶联剂212　CFRPTFE 的拉伸强度性能图2为碳纤维用量对CFRPTFE 拉伸强度的影响。