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。

碳纤维及石墨填充聚四氟乙烯复合材料的摩擦学性能研究杨丽君;王齐华;宁丽萍;杨景锋;赵普【期刊名称】《材料科学与工程学报》【年(卷),期】2004(022)005【摘要】利用M-200型环-块摩擦磨损试验机对石墨(Gr.)及碳纤维(CF)填充聚四氟乙烯(PTFE)复合材料的摩擦磨损性能进行了研究,探讨了石墨及碳纤维的协同润滑效应.认为碳纤维的加入大大提高了复合材料的承载能力,石墨的加入减小了碳纤维表面与对偶的摩擦系数,从而降低了碳纤维的脱落趋势,提高了复合材料的耐磨性.利用扫描电子显微镜(SEM)对PTFE复合材料的摩擦面及对偶转移膜进行了观察.结果表明,本实验中20%的石墨和10%碳纤维填充PTFE复合材料的摩擦磨损性能最好,且在高载荷下的摩擦磨损性能尤为突出,具有一定的应用价值.【总页数】4页(P705-708)【作者】杨丽君;王齐华;宁丽萍;杨景锋;赵普【作者单位】中国科学院兰州化学物理研究所,固体润滑国家重点实验室,甘肃,兰州,730000;中国科学院兰州化学物理研究所,固体润滑国家重点实验室,甘肃,兰州,730000;中国科学院兰州化学物理研究所,固体润滑国家重点实验室,甘肃,兰州,730000;中国科学院兰州化学物理研究所,固体润滑国家重点实验室,甘肃,兰州,730000;中国科学院兰州化学物理研究所,固体润滑国家重点实验室,甘肃,兰州,730000【正文语种】中文【中图分类】TB332【相关文献】1.石墨填充聚四氟乙烯基复合材料的摩擦学性能 [J], 李文忠;王黎钦;古乐;郑德志2.聚四氟乙烯及其石墨和MoS2填充复合材料的摩擦学性能研究 [J], 龚俊;付士军;郭精义;辛舟3.聚四氟乙烯及其石墨和MoS_2填充复合材料的摩擦学性能研究 [J], 龚俊;付士军;郭精义;辛舟4.水润滑下稀土处理碳纤维填充聚四氟乙烯复合材料摩擦学性能 [J], 包丹丹;程先华5.聚苯酯填充聚四氟乙烯复合材料力学性能和摩擦学性能的研究 [J], 谢刚;蔡立芳;黄承亚因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

聚四氟乙烯自润滑编织复合材料关节轴承的摆动摩擦磨损性能研究本文基于聚四氟乙烯自润滑编织复合材料关节轴承的摆动摩擦磨损性能进行了研究。

首先，使用扫描电子显微镜（SEM）对材料的微观结构进行了观察和分析。

结果显示，聚四氟乙烯纤维与编织材料紧密结合，形成了均匀的复合结构。

接着，通过摆动试验仪，以不同的工作条件和载荷进行了一系列实验。

实验结果表明，聚四氟乙烯自润滑编织复合材料在摆动条件下具有较低的摩擦系数和磨损量。

进一步的摩擦磨损测试显示，材料的摩擦性能与其摆动角度、载荷大小和滑动速度都有关。

最后，通过研究摆动角度-载荷和摆动角度-滑动速度曲线，得出了材料的工作极限范围。

总的来说，聚四氟乙烯自润滑编织复合材料在关节轴承应用中具有良好的摆动摩擦磨损性能，可作为一种有效的材料选择。

此外，为了进一步研究聚四氟乙烯自润滑编织复合材料关节轴承的摆动摩擦磨损性能，我们还进行了材料的摩擦耐磨性能测试。

采用了球-盘摩擦试验机，通过不断增加负荷和滑动速度来模拟实际工作条件。

结果显示，聚四氟乙烯自润滑编织复合材料在高载荷和快速滑动条件下仍然具有较低的摩擦系数和磨损量。

这验证了该材料在高负荷和高速工况下的可靠性和稳定性。

除此之外，我们还对聚四氟乙烯自润滑编织复合材料的耐腐蚀性能进行了研究。

在实验中，我们将材料暴露在不同的腐蚀介质中，如酸、碱和盐溶液，观察其表面的变化和性能的退化情况。

结果显示，该材料在多种腐蚀介质中都表现出良好的耐腐蚀性能，能够在恶劣环境下保持较长的使用寿命。

此外，我们还分析了聚四氟乙烯自润滑编织复合材料的热稳定性能。

通过热重分析仪对材料进行了热失重实验，观察其在高温条件下的热分解情况。

研究结果显示，该材料在高温下具有较好的热稳定性，能够承受较高的工作温度。

综上所述，聚四氟乙烯自润滑编织复合材料作为关节轴承材料具有优异的摆动摩擦磨损性能，同时还具备良好的耐腐蚀性能和热稳定性能。

这使得该材料在许多工业领域中有着广泛的应用前景，特别是在需要高摆动速度和重载荷条件下的关键部件上。

填充聚四氟乙烯复合材料在水润滑条件下的摩擦磨损特性研究
的报告，600字
本报告主要研究了聚四氟乙烯复合材料在水润滑条件下的摩擦磨损特性。

样品的准备和试验测量方法，采用力学接触实验装置，其中转轮采用光学磨料床，判断材料在水润滑摩擦磨损过程中的性能，并获得接触系数分布随时间的变化情况、摩擦系数和摩擦系数的变化形式。

实验结果表明，聚四氟乙烯复合材料在水润滑条件下，其摩擦系数相对较低，一开始保持几乎不变，然后随着磨损时间持续增加而显著增加，而接触系数也随着磨损时间的增加逐步降低。

此外，根据接触系数变化情况分析，可知聚四氟乙烯复合材料在水润滑条件下的摩擦磨损特性有着较高的耐磨性能，磨损形式为失稳性磨损，在某一时刻突然加速，而之后缓慢减速。

综上所述，本研究证明聚四氟乙烯复合材料在水润滑条件下的摩擦磨损特性具有较高的耐磨性能，可以用于高摩擦环境中的相关应用。

碳纳米管改性聚偏氟乙烯复合材料研究进展碳纳米管（carbon nanotube，CNT）具有优异的力学性能和导电性能，被广泛应用于聚合物复合材料的改性中。

碳纳米管改性聚偏氟乙烯复合材料是一种具有重要应用价值的新材料。

本文将综述碳纳米管改性聚偏氟乙烯复合材料的研究进展。

碳纳米管在聚偏氟乙烯复合材料中的改性机制被广泛研究。

研究表明，碳纳米管可以提高聚偏氟乙烯复合材料的力学性能、导电性能以及耐热性能。

碳纳米管通过其高强度、高刚度和高导电性，能够增强聚偏氟乙烯的力学性能，提高其强度和硬度。

碳纳米管还能提升聚偏氟乙烯的导电性能，使其具有导电功能。

碳纳米管的热导率较高，可以提高聚偏氟乙烯的耐热性能。

研究人员通过不同的方法将碳纳米管引入聚偏氟乙烯中，改善了复合材料的性能。

常见的方法包括溶液共混法、热压法和电泳沉积法等。

溶液共混法是一种简单而有效的方法，通过将碳纳米管与聚偏氟乙烯一起溶解于有机溶剂中，然后通过沉降和干燥得到复合材料。

热压法则是将碳纳米管和聚偏氟乙烯混合后，在高温高压下加热压制，使其形成复合材料。

电泳沉积法通过在电场作用下将碳纳米管定向沉积在聚偏氟乙烯表面，以实现复合材料的制备。

这些方法能够使碳纳米管均匀分散在聚偏氟乙烯基体中，从而提高复合材料的力学性能和导电性能。

研究人员还对碳纳米管改性聚偏氟乙烯复合材料进行了性能表征和应用研究。

通过扫描电子显微镜、透射电子显微镜等手段观察了复合材料的微观形貌，并进行了拉伸测试、硬度测试和电导率测试等力学性能和导电性能的表征。

还进行了对复合材料的疲劳寿命、耐磨性、抗氧化性等性能的研究。

研究结果表明，碳纳米管能够显著提高聚偏氟乙烯复合材料的力学性能和导电性能，使其具备更广泛的应用领域。

碳纳米管改性聚偏氟乙烯复合材料具有重要的应用价值。

通过改性，可以显著提高聚偏氟乙烯的力学性能、导电性能和耐热性能。

研究人员也开展了对碳纳米管改性聚偏氟乙烯复合材料的性能表征和应用研究，取得了一定的进展。

㊀第41卷㊀第7期2022年7月中国材料进展MATERIALS CHINAVol.41㊀No.7Jul.2022收稿日期:2021-01-08㊀㊀修回日期:2021-03-28基金项目:国家自然科学基金资助项目(51675232);江苏省青年自然科学基金资助项目(BK20190611)第一作者:周红成,男,1994年生,硕士研究生通讯作者:卞㊀达,男,1990年生,副教授,Email:biand@ 赵永武,男,1962年生,教授,博士生导师,Email:zhaoyw@DOI :10.7502/j.issn.1674-3962.202101003改性纳米氮化硅增强聚四氟乙烯复合涂层摩擦学行为研究周红成,卞㊀达,刘雅玄,郭永信,赵永武(江南大学机械工程学院,江苏无锡214122)摘㊀要:聚四氟乙烯(PTFE)在减摩材料领域应用广泛,但其较差的耐磨性限制了其应用㊂纳米材料改性是改善PTFE 耐磨性的一种有效方法,而氮化硅(Si 3N 4)的强度高㊁摩擦系数低,能够与PTFE 实现功能互补㊂以PTFE 和硅烷偶联剂KH-570改性的Si 3N 4为填料㊁聚酰胺酰亚胺(PAI)为粘结剂,采用喷涂-固化的方法制备了PTFE /Si 3N 4复合涂层,并对该涂层的摩擦学性能展开了研究㊂利用扫描电子显微镜(SEM)和傅里叶变换红外光谱(FT-IR)对改性前后的Si 3N 4纳米颗粒进行表征;利用显微硬度测试仪和摩擦磨损试验机对PTFE /Si 3N 4复合涂层的综合性能进行表征㊂研究结果表明:KH-570成功接枝到了Si 3N 4纳米颗粒的表面,接枝后Si 3N 4纳米颗粒的表面更加粗糙,有利于其均匀分散;Si 3N 4纳米颗粒可以改善PTFE /Si 3N 4复合涂层的硬度和摩擦学性能㊂当改性Si 3N 4纳米颗粒的质量分数为1%时,复合涂层的硬度最高,为11.1HV,摩擦系数和磨损率最低,分别为0.0755和3.78ˑ10-3m 3㊃N -1㊃m -1,磨损方式为磨粒磨损㊂当加入过多的改性Si 3N 4纳米颗粒时,其会出现团聚,复合涂层的摩擦磨损性能下降㊂关键词:氮化硅;聚四氟乙烯;摩擦系数;磨损率中图分类号:TQ325.4;TB383㊀㊀文献标识码:A㊀㊀文章编号:1674-3962(2022)07-0578-06引用格式:周红成,卞达,刘雅玄,等.改性纳米氮化硅增强聚四氟乙烯复合涂层摩擦学行为研究[J].中国材料进展,2022,41(7):578-583.ZHOU H C,BIAN D,LIU Y X,et al .Tribological Behavior Investigation of Polytetrafluoroethylene Composite Coating Reinforced withModified Nano-Silicon Nitride[J].Materials China,2022,41(7):578-583.Tribological Behavior Investigation of PolytetrafluoroethyleneComposite Coating Reinforced with Modified Nano-Silicon NitrideZHOU Hongcheng,BIAN Da,LIU Yaxuan,GUO Yongxin,ZHAO Yongwu(School of Mechanical Engineering,Jiangnan University,Wuxi 214122,China)Abstract :Polytetrafluoroethylene (PTFE)is widely used in the field of antifriction materials,but its poor wear resistancelimits its application.Nanomaterial modification is an effective method to improve the wear resistance of PTFE.Silicon ni-tride (Si 3N 4)has high strength and low-friction-coefficient properties,which can overcome the poor wear resistance of PT-FE.With modified Si 3N 4and PTFE as raw materials and polyamideimide (PAI)as binder,the PTFE /Si 3N 4composite coat-ing is prepared by spraying-curing method,and the tribological properties of the coating are investigated.The structure of Si 3N 4nanoparticles before and after modification is characterized using scanning electron microscope (SEM)and fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR).In addition,the hardness and tribological behavior of the coating are also studiedby microhardness tester and friction and wear tester.The results show that KH-570has been successfully grafted on the surface of Si 3N 4nanoparticles,and the surface of modi-fied Si 3N 4nanoparticles becomes rougher,which is benefit for the dispersion of Si 3N 4nanoparticles.Besides,Si 3N 4nanoparticles can improve the hardness and tribologicalproperties of the PTFE composite coating.When the massfraction of modified Si 3N 4nanoparticles is 1%,the coating achieves the highest hardness (11.1HV)among the sam-ples.And the friction coefficient and wear rate are 0.0755and 3.78ˑ10-3m 3㊃N -1㊃m -1respectively,which is the low-㊀第7期周红成等:改性纳米氮化硅增强聚四氟乙烯复合涂层摩擦学行为研究est friction coefficient and wear rate among the samples.At this time,the wear mechanism of the coating is mainly abrasive wear.However,when too much modified Si3N4nanoparticles is added,the serious agglomeration occurs,which will reduce the tribological properties of the coating.Key words:silicon nitride;polytetrafluoroethylene;friction coefficient;wear rate1㊀前㊀言聚四氟乙烯(PTFE)具有优异的化学稳定性和自润滑性,是目前应用广泛的工程塑料之一㊂但PTFE因其特殊的分子结构导致耐磨性较差,故PTFE基复合涂层的性能还不能满足频繁摩擦条件下的应用需求[1,2]㊂为了解决这一问题,在PTFE基体中添加增强剂来提高PTFE的耐磨性已经被普遍认可,如添加SiO2[3]㊁碳纳米管[4]㊁TiO2[5]等㊂氮化硅(Si3N4)是一种共价键化合物,性质稳定,常温下为白色或者灰白色,具有低热膨胀系数㊁高弹性模量和高硬度,在高温下具有较高的耐磨损性能[6]㊂张苏等[7]通过丙烯酸丁酯-甲基丙烯酸甲酯-甲基丙烯酸缩水甘油酯(BA-MMA-GMA)三元共聚物改性纳米Si3N4,制备了Si3N4/丙烯酸酯橡胶复合材料㊂结果表明,随着纳米Si3N4含量的提高,复合材料的物理性能和耐油性能先上升后下降;当改性纳米Si3N4的质量分数为1.5%时,复合材料的物理性能和耐油性能最佳,橡胶的寿命得到延长㊂Fan等[8]制备了致密的Si3N4陶瓷涂层,研究表明,在1200ħ的热冲击温差下经过5次热循环后,涂层的吸水率略有提高,从接近3.2%到接近6.0%㊂该研究解决了陶瓷孔由于吸水导致介电和隔热能力下降的问题㊂Gal等[9]采用粉末注射成型法制备了Si3N4基陶瓷,研究发现,Si3N4可以提高涂层的弯曲强度㊁维氏硬度和断裂韧性,将其应用到汽车阀门中可有效提高汽车的综合性能㊂Zhang等[10]采用真空热压法制备了Si3N4自润滑陶瓷刀具材料Si3N4/TiC/h-BN,切削试验表明,该自润滑陶瓷刀具比未含Si3N4的刀具更抗磨损㊂以上研究表明,虽然利用Si3N4改性涂层的性能已经取得了不少成功,但是将Si3N4应用于改性PTFE却鲜有报道,PTFE 塑料的应用前景光明,但耐磨性差的问题亟待解决㊂本文利用Si3N4在耐磨性方面的优势,制备了PTFE基复合耐磨涂层,并对PTFE/Si3N4复合涂层的摩擦学性能进行了研究㊂2㊀实㊀验2.1㊀主要原材料纳米Si3N4,平均粒径100nm,购自科特新材料科技有限公司;PTFE,分散乳液,购自浙江巨化股份有限公司;聚酰胺酰亚胺(PAI),型号PSY225,购自南通博联化工有限公司;氧化铝,平均粒径3.5μm,购自耐博检测技术(上海)有限公司;醇酯十二,分析纯,购自可乐士科技有限公司;γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷(KH-570),分析纯,购自江苏晨光偶联剂有限公司;消泡剂,型号NXZ,购自日本诺普科公司;氟碳表面活性剂,型号FC-4430,购自美国3M公司㊂2.2㊀主要设备与仪器精密电子天平,型号XS205-DU,METTLER TOLEDO 有限公司;超声波清洗仪,型号BG-06C,广州邦杰电子有限公司;马弗炉,型号SX2-8-10,上海喆钛机械制造有限公司;真空干燥箱,型号DZF-6020,上海精密仪器有限公司;万能摩擦磨损试验机,型号MFT-5000,兰州中科凯华科技开发有限公司;三维形貌仪,型号MFP-D,美国RTEC公司;显微硬度测试仪,型号MH-3,北京环宇科信科技有限公司;扫描电子显微镜(SEM),型号6390A,日本电子JSM公司;傅里叶变换红外光谱仪(FT-IR),型号Nicolet iS5,美国赛默飞世尔科技(中国)有限公司㊂2.3㊀纳米Si3N4表面改性处理采用硅烷偶联剂KH-570对纳米Si3N4进行表面改性处理㊂由于KH-570更容易以溶液的形式分散在Si3N4表面,所以首先需要配制KH-570溶液(20%的KH-570, 72%无水乙醇,8%去离子水,质量分数,下同)㊂在改性之前,将纳米Si3N4在真空干燥箱中120ħ活化处理2.5h,然后加入KH-570溶液超声机械搅拌20min;再逐滴加入乙酸,调整溶液体系pH值为5,70ħ反应6h;将反应后的混合溶液转移至离心管中,离心12min,转速为3500r㊃min-1;用无水乙醇反复多次离心,直至沉淀上层液体为中性;最后,将混合溶液放入真空干燥箱中60ħ干燥24h㊂2.4㊀复合材料试样的制备以直径为30mm㊁厚度为3mm的铝块为基底(铝块经过了机械抛光㊁喷砂㊁阳极氧化等前处理),称取45%的PTFE分散液㊁15%的PAI㊁适量的水搅拌,超声分散处理8min后加入15%的Al2O3(填充剂)㊁醇酯十二㊁消泡剂㊁FC-4430表面活性剂搅拌㊂加入0%,0.5%, 0.7%,1%,1.5%不同质量分数的纳米Si3N4机械搅拌2h后,采用喷涂-固化的方式制备Si3N4/PTFE复合涂层㊂其中固化分4个阶段进行:①10min均匀升温到120ħ,②120ħ保温20min,③10min均匀升温到380ħ,④380ħ保温20min㊂975中国材料进展第41卷2.5㊀涂层表征涂层的抗磨损试验在万能摩擦磨损试验机上进行,试验选用的方式是往复直线运动㊂试验施加的载荷为10N,频率为1Hz,试验时间为10min,对磨件是直径为9.525mm 的Si 3N 4陶瓷球㊂利用三维形貌仪观测磨痕的表面形貌,分析磨损量㊂使用显微硬度测试仪测量显微维氏硬度,试验载荷为50g,施载时间为15s,测量5个点,取平均值㊂最后,利用SEM 对磨痕的表面形貌进行表征,分析磨损机理㊂3㊀结果与讨论3.1㊀改性前后纳米Si 3N 4SEM 分析图1为改性前后的纳米Si 3N 4的SEM 照片,从图1a可以看出,未经过处理的纳米Si 3N 4粉体表面相对光滑,不利于粉末均匀分散在PTFE 复合涂层中㊂而经过KH-570改性处理的Si 3N 4纳米颗粒(图1b)粉体表面附着了一层薄膜,比较粗糙,增大了颗粒之间的间隙,有利于粉末均匀分散在涂层中㊂此外,由于改性后的Si 3N 4纳米颗粒表面粗糙,其与涂层的接触面积也会增大,有利于与涂层啮合,增大了结合力,从而有效提高PFTE /Si 3N 4复合涂层的摩擦学性能[11]㊂图1㊀改性前(a)和硅烷偶联剂KH-570改性后(b)纳米Si 3N 4的SEM 照片Fig.1㊀SEM images of nano-Si 3N 4before modification (a)and aftermodification by silane coupling agent KH-570(b)3.2㊀改性前后纳米Si 3N 4FT -IR 分析图2给出了纳米Si 3N 4和KH-570改性纳米Si 3N 4的FT-IR 图谱㊂由于纳米Si 3N 4的比表面积较高,其表面具有高的反应活性,暴露在空气中容易被氧化,所以其表面吸附着大量的羟基㊂由图2可知,纳米Si 3N 4的红外光谱在3440cm-1处的峰表示羟基伸缩振动㊁1620cm-1处的峰表示羟基剪切振动㊁944cm-1处的峰表示Si N Si骨架振动㊂除了对应纳米Si 3N 4的特征峰外,KH-570改性纳米Si 3N 4还多了2940cm -1( CH 2 )㊁1720cm-1( C O)㊁900~1100cm -1(Si O Si )等特征吸收峰[12]㊂由于Si O Si 和Si N Si 的吸收带在900~1100cm-1处重合,所以改性纳米Si 3N 4在900~1100cm-1处的吸收峰更宽,这表明纳米Si 3N 4表面结构已经从羟基变为了Si O Si,KH-570已经成功接枝到纳米Si 3N 4表面[13],纳米Si 3N 4改性机理如图3㊂图2㊀改性前(a)和KH-570改性后(b)纳米Si 3N 4的傅里叶变换红外光谱Fig.2㊀Fourier transform infrared spectra of nano-Si 3N 4before modifica-tion (a)and after modification by KH-570(b)图3㊀纳米Si 3N 4改性机理示意图Fig.3㊀Modification mechanism diagram of nano-Si 3N 43.3㊀PTFE/Si 3N 4复合涂层显微维氏硬度分析图4为不同Si 3N 4质量分数的PTFE /Si 3N 4复合涂层的显微维氏硬度㊂从图4中可以看出,随着纳米Si 3N 4含量的增加,复合涂层的硬度先增加后减小㊂未添加纳米Si 3N 4时,复合涂层的维氏硬度为9.8HV;当Si 3N 4质量分数分别为0.5%,0.7%和1.0%时,复合涂层的维氏硬图4㊀不同Si 3N 4质量分数的PTFE/Si 3N 4复合涂层的维氏硬度测量值Fig.4㊀Vickers hardness of PTFE /Si 3N 4composite coating with dif-ferent mass fractions of Si 3N 485㊀第7期周红成等:改性纳米氮化硅增强聚四氟乙烯复合涂层摩擦学行为研究度分别为10.2HV,10.8HV 和11.1HV,分别提高了4.1%,10.2%和13.3%;但是当Si 3N 4质量分数达到1.5%时,复合涂层的硬度反而下降为10.3HV㊂这是因为纳米Si 3N 4具有高硬度的特点,可以作为刚性的支撑点,优先承载载荷,所以加入纳米Si 3N 4可以提高复合涂层的硬度;但当加入过量纳米Si 3N 4时,容易出现较严重的团聚现象,造成应力集中,使涂层承载能力下降,导致硬度下降[14]㊂3.4㊀PTFE/Si 3N 4复合涂层摩擦系数分析图5为不同Si 3N 4质量分数的PTFE /Si 3N 4复合涂层的摩擦系数㊂从图5可以看出,随着纳米Si 3N 4含量的增加,涂层的摩擦系数先减小后增加㊂当未添加纳米Si 3N 4时,复合涂层的摩擦系数为0.1010;当添加0.5%纳米Si 3N 4时,复合涂层的摩擦系数明显降低为0.0880,降低了12.9%;当纳米Si 3N 4含量升到1%时,复合涂层的摩擦系数降低到最低值0.0755,降幅达到了24.5%;但是纳米Si 3N 4含量增加到1.5%时,复合涂层的摩擦系数反而提升,为0.0788㊂这是因为复合涂层在摩擦过程中,纳米Si 3N 4具有减摩的作用,可以降低摩擦系数[15];但当纳米Si 3N 4的含量过多时其在涂层中难以均匀分散,摩擦过程中会脱落到复合涂层和对磨小球之间,磨粒滑动会破坏转移膜,增大摩擦阻力,使摩擦系数增加[16]㊂图5㊀不同Si 3N 4质量分数的PTFE /Si 3N 4复合涂层的摩擦系数Fig.5㊀Friction coefficient of PTFE /Si 3N 4composite coating with dif-ferent mass fraction of Si 3N 43.5㊀PTFE/Si 3N 4复合涂层耐磨性分析图6和表1分别为不同Si 3N 4质量分数的PTFE /Si 3N 4复合涂层的磨痕深度和摩擦学指标㊂从图6和表1可以看出,添加纳米Si 3N 4可以有效降低复合涂层的磨损量㊂当未添加纳米Si 3N 4时,复合涂层的磨痕深度约为22μm,磨损率为1.25ˑ10-2m 3㊃N -1㊃m -1;当加入0.5%纳米Si 3N 4时,复合涂层的磨痕深度发生明显变化,降至14μm;当加入1%纳米Si 3N 4时,复合涂层的磨痕深度降到最低值12μm,磨损量最小,磨损率仅为3.78ˑ10-3m 3㊃N -1㊃m -1;但当加入1.5%纳米Si 3N 4时,复合涂层的磨损量反而提高,磨损率增加到5.96ˑ10-3m 3㊃N -1㊃m -1㊂纳米Si 3N 4因具有高硬度㊁高强度的性能,在填充涂层内部的空隙时会使制备的涂层更加致密,同时提高了复合涂层的硬度㊂在对摩过程中,纳米Si 3N 4可以作为刚性的支撑点,优先承载载荷,具有弥散强化的作用[17]㊂因此,随着纳米Si 3N 4的加入,复合涂层的磨损量降低;但当纳米Si 3N 4含量过高时,不利于纳米Si 3N 4在基体中均匀分散,容易形成较严重的团聚现象㊂脱落的团簇Si 3N 4落到摩擦副之间破坏了转移膜的完整性,导致磨损量反而提高[18]㊂图6㊀不同Si 3N 4质量分数的PTFE /Si 3N 4复合涂层的磨痕深度Fig.6㊀Depth of wear scar of PTFE /Si 3N 4composite coating with dif-ferent mass fraction of Si 3N 4表1㊀不同Si 3N 4质量分数的PTFE /Si 3N 4复合涂层的摩擦学指标Table 1㊀Tribological indicators PTFE /Si 3N 4composite coating withdifferent mass fractions of Si 3N 4Si 3N 4/wt%Frictioncoefficient Abrasion loss/μm 3Wear rate/(m 3㊃N -1㊃m -1)00.10107.55ˑ108 1.25ˑ10-20.50.0880 3.32ˑ108 5.53ˑ10-30.70.0825 2.85ˑ108 4.75ˑ10-310.0755 2.27ˑ108 3.78ˑ10-31.50.07883.58ˑ1085.96ˑ10-33.6㊀PTFE/Si 3N 4复合涂层磨损机理分析图7给出了不同Si 3N 4质量分数的PTFE /Si 3N 4复合涂层表面微观形貌的SEM 照片㊂从图7a 可以看出,未添加Si 3N 4时,磨痕周边凹凸不平,边缘出现明显的挤压形状,是典型的塑性变形特征㊂这是因为未添加纳米Si 3N 4时,复合涂层的硬度较低,抵抗外力变形能力低;当添加0.5%Si 3N 4时,复合涂层的硬度提高,磨痕变窄,磨痕边缘趋于平整,挤压现象不明显(图7b);当纳米Si 3N 4含量185中国材料进展第41卷为1%时,磨痕最为平整光滑(图7d);但当含量增加到1.5%时(图7e),复合涂层的表面性能反而变差㊂为了进一步研究复合涂层的磨损机制,对磨痕内部微观结构进行观察,发现添加0.5%纳米Si 3N 4时,PT-FE /Si 3N 4复合涂层磨痕内部出现了粘黏现象,如图8a 所示,结合图7b 可以说明涂层的磨损形式主要为粘着磨损和磨粒磨损㊂当纳米Si 3N 4含量为1%时,磨痕表面出现犁沟现象(图8b),整体最为平整光滑(图7d 已讨论),说明此时的磨损方式主要为磨粒磨损㊂图7㊀不同Si 3N 4质量分数的PTFE /Si 3N 4复合涂层磨痕形貌SEM 照片:(a)0%,(b)0.5%,(c)0.7%,(d)1%,(e)1.5%Fig.7㊀SEM images of wear scar morphology of PTFE /Si 3N 4coatings withdifferent mass fractions of Si 3N 4:(a)0%,(b )0.5%,(c)0.7%,(d)1%,(e)1.5%图8㊀复合涂层磨痕内部细节SEM 照片:(a)0.5%,(b)1%Fig.8㊀SEM images of internal details of composite coating wear scar:(a)0.5%,(b)1%㊀㊀图9为复合涂层内部磨痕EDS 分析结果,从中可明显看出Si 元素,说明Si 3N 4分布在磨痕表面,充当载荷支撑点发挥作用㊂此外,对对磨小球磨痕表面进行EDS 分析,测出了C,O,F 元素(图10),其中F 元素只能来自PTFE,说明1%Si 3N 4复合涂层在对磨件上形成了致密的转移膜,摩擦主要发生在复合涂层和转移膜之间㊂但是当纳米Si 3N 4含量增加到1.5%时,复合涂层的表面性能反而变差㊂通过EDS 分析发现,Si 3N 4产生了团聚,如图11所示,由于Si 3N 4难以在复合涂层中均匀分散,形成应力集中,复合涂层的摩擦学性能下降[19]㊂图9㊀复合涂层内部磨痕EDS 分析结果:(a)扫描区域,(b)区域EDS 分析Fig.9㊀EDS ananlysis results of internal wear scar of composite coating:(a)mapping area,(b)regional EDSanalysis图10㊀摩擦副对磨小球EDS 面扫描图谱:(a)摩擦副扫描区域,(b)C 元素,(c)O 元素,(d)F 元素Fig.10㊀EDS spectra of friction pair against grinding ball:(a)scanning areaof friction pair,(b)C element,(c)O element,(d)F element4㊀结㊀论(1)本实验利用硅烷偶联剂KH-570对纳米Si 3N 4进行改性,成功将其接枝到纳米Si 3N 4表面㊂利用扫描电子显微镜(SEM)㊁傅里叶变换红外光谱(FT-IR)对改性前后的纳米Si 3N 4进行表征,结果表明,经过KH-570处理的纳米Si 3N 4粉体表面附着了一层薄膜,比较粗糙;KH-570改性纳米Si 3N 4在900~1100cm-1处的吸收峰更宽,纳米Si 3N 4表面结构从羟基变为了Si O Si㊂285㊀第7期周红成等:改性纳米氮化硅增强聚四氟乙烯复合涂层摩擦学行为研究图11㊀涂层内部Si 3N 4团聚的EDS 面扫描分析图谱:(a)Si 3N 4团聚扫描区域,(b)Si 元素,(c)N 元素Fig.11㊀EDS spectra of Si 3N 4agglomeration inside the coating:(a)Si 3N 4agglomeration scanning area,(b)Si element,(c)N element(2)纳米Si 3N 4对聚四氟乙烯(PTFE)/纳米Si 3N 4复合涂层(PTFE /Si 3N 4)的显微维氏硬度有着显著影响㊂随着纳米Si 3N 4质量分数的提高,复合涂层的维氏硬度先提高再降低,当纳米Si 3N 4的质量分数为1%时,复合涂层的显微维氏硬度最高,为11.1HV㊂(3)填充纳米Si 3N 4对PTFE /Si 3N 4复合涂层的摩擦系数和磨损量有显著影响㊂复合涂层的摩擦系数和磨损量随着纳米Si 3N 4含量的增加先下降后略有提高㊂当纳米Si 3N 4质量分数为1%时,复合涂层的摩擦系数最低,为0.0755,磨损率最小,为3.78ˑ10-3m 3㊃N -1㊃m -1;当纳米Si 3N 4质量分数为1.5%时,形成了较严重的团聚,复合涂层的摩擦磨损性能下降㊂(4)当未添加纳米Si 3N 4时,复合涂层的磨损方式主要为粘着磨损;当添加0.5%的纳米Si 3N 4时,磨损方式主要为粘着磨损和磨粒磨损两种形式共存;当纳米Si 3N 4质量分数增加至1%时,磨损方式主要为磨粒磨损㊂参考文献㊀References[1]㊀MAZZA L,TRIVELLA A,GRASSI R,et al .Tribology International[J],2015,90:15-21.[2]㊀张林,李玉海.科技创新导报[J],2012(4):111-112.ZHANG L,LI Y H.Science and Technology Innovation Herald[J],2012(4):111-112.[3]㊀ZHANG G,SCHLARB A K,TRIA S,et al .Composites Science andTechnology[J],2008,68(15):3073-3080.[4]㊀MAKOWIEC M E,BLANCHET T A.Wear[J],2019,374(3):77-85.[5]㊀SHI Y J,MU L W,FENG X.Materials &Design[J],2011,32(2):964-970.[6]㊀徐晨辉,张宁,赵介南.粉末冶金工业[J],2019,29(4):82-86.XU C H,ZHANG N,ZHAO J N.Powder Metallurgy Industry[J],2019,29(4):82-86.[7]㊀张苏,钱家盛,章于川.橡胶工业[J],2008,55(12):734-736.ZHANG S,QIAN J S,ZHANG Y C.Rubber 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