PTFE编织复合材料摩擦特性研究

刘 建，张永振，，杜三明，刘敬超

（1西北工业大学 机电工程学院，西安710072；2河南科技大学 材料摩擦学重点实验室，河南 洛阳471003）

PTFE编织复合材料摩擦特性研究

刘 建1，张永振1，2，杜三明2，刘敬超2

（1西北工业大学 机电工程学院，西安710072；2河南科技大学 材料摩擦学重点实验室，河南 洛阳471003）

在高速摩擦磨损试验机上以摆动频率、载荷为变量对PTFE编织复合材料进行于摩擦性能测量实验，分析摆动频率、载荷对摩擦因数的影响规律。结果表明：材料的摩擦因数随载荷增大呈稳定降低趋势，最后趋于平稳。在20～40kN载荷范围内，摩擦因数随摆动频率的增大经过一个最小值后上升到稳定值。载荷对摩擦因数的影响大于频率的影响。通过扫描电子显微镜对不同载荷频率下产生的PTFE编织复合材料转移膜的分析，从微观上解释了摆动频率、载荷影响PTFE编织复合材料摩擦因数的作用机理。

PTFE；载荷；频率；摩擦因数

PTFE（Polytetrafluoroethene）聚四氟乙烯编织复合材料由芳纶纤维、炭纤维等增强纤维以及石墨、MoS2，CuS等减摩抗磨固体颗粒组成的织物材料。以高强度、耐高温、摩擦因数小、物理化学性能稳定等优良特性广泛应用于具有自润滑特性的关节轴承中［1］，其摩擦磨损性能决定了关节轴承的工作稳定性及使用寿命［2］。20世纪50年代，国外已将这种PTFE编织复合材料广泛应用于航空、航天等重要领域［3］。目前国内已有很多学者对其摩擦磨损性能进行了研究，但总体上尚处于初级阶段［4］，很多基础理论不成熟［5－7］。其中，载荷速率特性是PTFE编织复合材料性能评估的重要参数指标，是一个综合考虑编织复合材料在不同速率、载荷、温度、环境等因素下的摩擦磨损性能的极限值。有些文献将载荷速率作为整体来研究速率载荷与摩擦磨损性能的关系，忽略相同载荷速率值，不同载荷、速率的影响因素，很难保证结果的可靠性。原因在于相同的载荷速率值，不同的载荷、速率组合对摩擦因数、磨损率的影响非常大，得到的结果误差较大［8－12］。

本研究针对一定条件下不同的载荷、摆动频率（摆动幅度一定，以频率表征速率）值对自制PTFE编织复合材料（单层浸胶斜纹织物）摩擦因数的影响进行在机测量实验，分析了摩擦因数随载荷、摆动频率的变化特性，为高频摆动条件下PTFE编织复合材料PV特性的获得提供实验基础。

1 实验

1.1 实验材料及条件

将自制PTFE编织复合材料（以下简称衬垫）粘贴于曲率半径为（50±0.05）mm、弧度为（60±0.5）°的试样台上。对偶材料采用9Cr18Mo，符合GB／T3086高碳铬不锈轴承钢技术条件（冷处理温度－55℃以下，保温时间不少于1h），直径100mm，表面粗糙度0.16μm。实验室室温25℃，相对湿度60%。实验前用丙酮对对偶环进行去油处理。衬垫厚度为（0.38±0.02）mm，试样宽度为（40±0.05）mm，长度为（53±0.05）mm。实验前先静止加载20kN 额定载荷30min，待变形量稳定后开始实验。摩擦副示意图如图1所示。

图1 摩擦副结构示意图Fig.1 The structure schematic drawing

1.2 实验方法

保持环境温度和衬垫初始温度恒定，以摆角3°的摆动幅度分别以载荷（5，10，15，20，30，40，50kN）、频率（5，10，13，14，15，17，20Hz）为变量测量摩擦因数随二者的变化曲线。

经过1h磨合，衬垫摩擦磨损性能进入稳定阶段，以不同的载荷、频率组合进行49组实验，每组实验进行40min，间隔10次取值，最后取摩擦因数平均值。每组实验完成后对摩擦副材料进行降温，待初始温度降到50℃进行下一组实验。

实验测量的有效最低载荷为10kN，原因在于10kN以下的摩擦因数波动性较大，波动值为±0.057，因此10kN以下的取值仅作为参考值。当载荷超过50kN时，由于负载过大，摩擦环的摆动幅度达不到额定值，此时增加液压摆动缸的扭矩，摆动幅度反而变小。原因在于，增加液压的同时摆动缸的泄油量也同时增大，而且泄油量大于增加量。

由于摩擦因数随载荷的变化趋势比较明显，而随频率变化比较复杂，因此当摩擦因数随频率的增高出现降低后升高的拐点时（主要出现在10～20Hz），为保证摩擦因数最低点取值的可靠性，排除偶然因素并尽量准确地找出最低点，在可能的频率区域进行额外取点测量，保证摩擦因数最低点与频率的对应特性。

2 结果与分析

2.1 频率对摩擦因数的影响

不同载荷下摩擦因数随频率的变化曲线如图2所示。可以看出，在载荷低于15kN时，摩擦因数随着摆动频率的提高逐渐升高，没有出现降低趋势。载荷达到20kN时，出现最低摩擦因数的频率为12Hz。载荷30kN时对应最低摩擦因数的频率为15Hz。40kN对应的最低摩擦因数的频率为10Hz。超过25kN时，摩擦因数呈不断降低趋势，没有拐点出现。

图2 摩擦因数随频率的变化曲线Fig.2 Friction coefficient－frequency curves

载荷为15kN时摩擦因数随频率的变化出现的极小值最为明显。当载荷达到50kN时，摩擦因数随频率出现的最低点消失，此时载荷起主要作用。主要原因如下：

（1）从转移膜因素分析：由于PTFE及其他自润滑材料的转移性很差，形成的转移膜在对偶环上的黏着作用低于本体之间的黏着强度。因此，常温下对偶环摩擦表面很难形成均匀稳定的转移膜。摩擦频率提高使摩擦表面温度逐渐升高，PTFE转移性增强，使转移膜面积逐渐增大，厚度也相应增加，此时摩擦因数降低。当频率继续升高时，在高速摆动下对偶环的摩擦表面很难形成均匀稳定的转移膜，此时摩擦因数呈上升趋势。

（2）从衬垫黏着和变形方面分析：摩擦过程中摩擦副表面材料分子间的运动、吸附和转移、力学性能等都将发生变化。频率升高导致温度迅速提高，而温度升高使得组成摩擦因数的黏着和变形两部分阻力都将发生变化，其表达式［13］如下：

式中：f1为黏着摩擦因数；f2为变形摩擦因数；f°为初始温度对应的黏着和变形摩擦因数；α，γ为温度系数；Δt为温升。

由式（1），（2）可以看出，温度升高对衬垫摩擦因数的影响成指数变化，这一变化趋势对摩擦因数的影响要大于转移膜的影响。由此也可以说明摩擦因数随频率的变化虽然在一定的载荷范围内（18～30kN）有降低趋势，但总体的趋势还是随着摆动频率的提高而成增大趋势，最后趋于稳定。这也是很多相关研究工作者得出摩擦因数随滑动速率增高而增大的原因，即实验时载荷的间隔太大而将这一降低趋势忽略。同时可以判断频率对摩擦磨损性能的影响主要是通过温度的间接影响产生作用。频率增高直接引起衬垫表面温度的升高，导致衬垫力学结构性能及热物性发生变化，进而影响材料的摩擦磨损性能。这种间接的影响关系也导致了衬垫摩擦特性变化的复杂性及难以预测性。

2.2 载荷对摩擦因数的影响

图3为摩擦因数随载荷的变化曲线。可以看出，摩擦因数在5～50kN载荷范围内随载荷增大呈明显的降低趋势。在5～30kN范围内摩擦因数的变化较大，30～50kN范围内摩擦因数的变化较为缓和，逐渐趋于稳定。纯PTFE的摩擦因数随着滑动速率的增大而上升，随着载荷的增大而降低，载荷达到一定值摩擦因数又突然升高。

图3 摩擦因数随载荷的变化曲线Fig.3 Friction coefficient－loads curves

图4为摩擦后对偶环表面的SEM图。图4（a）为在15Hz、10kN下对偶环的表面状态，可以看出表面没有明显的转移膜形成，此时摩擦因数较大（0.138）。图4（b）为15Hz、30kN下对偶环的表面状态，此时表面已形成均匀的转移膜，摩擦因数明显降低（0.05）。通过分析得出：载荷对转移膜的影响机制为载荷变化引起摩擦表面温度的变化，由此引起对偶环表面转移膜（厚度、均匀性、稳定性等）的变化。当然，载荷本身对摩擦表面的微观作用对摩擦因数也有一定的影响，目前还没有确切的研究结论。

图4 对偶环表面SEM 照片 （a）15Hz，10kN；（b）15Hz，30kNFig.4 SEM images of the ring surface （a）15Hz，10kN；（b）15Hz，30kN

通过频率、载荷与摩擦因数的变化规律可以得出，载荷较之频率对摩擦因数的影响更为显著。在相同载荷频率值下，衬垫的摩擦因数在低载高频的条件下比在高载低频时要大。图5为频率、载荷与摩擦因数的关系。从图5（a）可以看出，摩擦因数沿载荷方向上的变化趋势与沿着频率方向相比要大。整体趋势为摩擦因数随载荷、频率的增大而增大；其中载荷25kN、频率14Hz区域内出现凹陷面，即摩擦因数随频率增加而降低的区域。图5（b）中可以看出，摩擦因数在以频率、载荷为平面的二维坐标中，摩擦因数等值线的分布沿载荷方向的变化率明显高于频率方向，由此可以得出，摩擦因数的大小主要受载荷值影响，频率对摩擦因数的影响相对较小。

3 结论

（1）衬垫的摩擦因数随载荷增大而逐渐降低；在20～40kN下摩擦因数随频率的增大先降低，后经过一个最低点上升到稳定值。

（2）摩擦过程中形成于对偶环表面的转移膜对摩擦因数有重要影响，摆动频率及载荷主要通过影响转移膜的状态影响摩擦因数。

（3）在10～50kN范围内，摩擦因数的大小主要受载荷影响，频率对摩擦因数的影响相对较小。

图5 频率、载荷与摩擦因数的关系 （a）三维曲面图；（b）摩擦因数等值线Fig.5 The relation of frequency，load and friction coefficient （a）3Dsurface graph；（b）the isoline of friction coefficient

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Study on Friction Characteristics of PTFE Braided Composites

LIU Jian1，ZHANG Yong－zhen1，2，DU San－ming2，LIU Jing－chao2
（1School of Mechatronic，Northwestern Polytechnical University，Xi’an 710072，China；2Key Laboratory of Material Tribology，Henan University of Science and Technology，Luoyang 471003，Henan，China）

The dry friction tests of PTFE braided composites were carried out on high－speed tribo－tester with speed，load as variables.The influence of different speed，load on the friction coefficient were analyzed.The results show that friction coefficient is stable reducing trend and finally stabilized with increasing load.Friction coefficient with the speed of change trend is：between 10－20kN，with increasing of the frequency，friction coefficient gets a minimum value and then rises to a steady value.The influence of the load on the friction coefficient is greater than that of frequency on the friction coefficient.Through the analysis of the microstructure of the liner using scanning electron microscope，the influences mechanism of speed，load on the friction coefficient was explained.

PTFE；load；frequency；friction coefficient

TH117

A

1001－4381（2012）08－0069－04

国家自然科学基金资助项目（50975078）；973计划前期研究专项资助项目（2010CB635113）

2011－11－20；

2012－05－11

刘建（1985—），男，博士研究生，主要从事材料干摩擦学研究，E－mail：liuj1795ddd＠163.com

张永振（1963—），男，教授，博士生导师，主要从事材料干摩擦学研究，联系地址：河南省洛阳市西苑路48号河南科技大学西苑校区材料摩擦学重点实验室134信箱（471003），E－mail：yzzhang＠mail.haust.edu.cn