纳米Al2O3改性PTFE复合保持架材料性能研究

时连卫，王子君，孙小波，李建星，楚婷婷

(1.洛阳轴研科技股份有限公司，河南 洛阳 471039；2.河南省高性能轴承技术重点实验室，河南 洛阳471039；3.滚动轴承产业技术创新战略联盟，河南 洛阳 471039)

聚四氟乙烯(PTFE)具有良好的化学稳定性及减摩性，且摩擦因数较低，是低温轴承最重要的自润滑保持架材料。但纯PTFE存在耐磨性差、比磨损率高、承载能力弱等缺点，限制了其在低温轴承中的应用，因此，常添加填料对其改性。纳米颗粒由于尺寸小及不同于常规填料的特性，近年来广泛应用于力学和摩擦学领域，其中利用纳米Al2O3填充改性可有效改善PTFE的机械和摩擦磨损性能。但由于纳米Al2O3与PTFE界面相容性较差，一般应先对纳米Al2O3进行表面改性，以改善其在PTFE基体中的分散性和相容性[1-3]。

下文先用偶联剂KH-570对纳米Al2O3进行表面改性，再采用冷压制坯、烧结成型方法，制备了纳米Al2O3/PTFE复合保持架材料，考察了纳米Al2O3含量对复合保持架材料硬度、压缩强度、拉伸强度及摩擦磨损性能的影响，利用扫描电子显微镜(SEM)观察并探讨了复合保持架材料的摩擦磨损机理，进行了常温、液氮和液氢下复合保持架材料的力学性能测试。

1 试验

1.1 试验材料

聚四氟乙烯：M18F，平均粒径25 μm；纳米Al2O3：VK-L30，基本性能见表1；偶联剂：KH-570；无水乙醇：AR。

表1 纳米Al2O3基本性能

1.2 试样制备

将纳米Al2O3置于浓度为2%的 KH-570无水乙醇溶液中，进行偶联、超声分散处理，超声频率20 kHz，超声时间30 min。过滤除去溶剂后，将固体物置于真空干燥箱中干燥处理，真空度-0.1 MPa，温度(120±5) ℃，时间8 h，干燥处理后密封保存备用。取上述纳米Al2O3放入高速搅拌机并加入适量PTFE充分混合搅拌，制备出纳米Al2O3质量分数分别为0%，1%，3%，5%，7%，9%的纳米Al2O3/PTFE复合保持架材料。

文中试样均经冷压制坯—烧结成型—毛坯制品—机械加工—修剪打磨而成。其中硬度和摩擦磨损试验用试样尺寸为12 mm×12 mm×20 mm；压缩性能试验用试样按照GB/T 1041—2008《塑料 压缩性能的测定》的要求制成φ20 mm×φ10 mm×30 mm管状；拉伸性能试验用试样按照GB/T 1040—2008《塑料 拉伸性能的测定》的要求制成标准哑铃型拉伸试条；冲击性能试验用试样按照GB/T 1043—2008《塑料 简支梁冲击性能的测定》的要求制成无缺口标准冲击试条。

1.3 性能测试

1)采用V-SD型邵氏硬度计，参照GB/T 2411—2008《塑料和硬橡胶 使用硬度计测定压痕硬度(邵氏硬度)》进行硬度测试。

2)拉伸性能和压缩性能测试分别按GB/T 1040—2008和GB/T 1041—2008要求进行，在DNS200型电子微控万能试验机上测试材料的拉伸强度、断裂伸长率及压缩强度，拉伸速度5 mm/min，压缩速度1 mm/min，测试温度(23±2)℃。

3)摩擦磨损性能测试在TIMKEN摩擦磨损试验机上进行，试验前将摩擦试样及摩擦试环表面用分析纯无水乙醇溶液擦拭干净，测试条件为：干摩擦，载荷7.58 N，时间30 min，转速1 000 r/min。对摩擦试样磨损表面喷金处理后，采用JSM- 6380LV型扫描电子显微镜(SEM)对复合材料磨损机理进行分析。

4)低温性能相关测试，委托中科院理化技术研究所按照相关国家标准进行。

2 结果与分析

2.1 纳米Al2O3含量对复合材料硬度的影响

纳米Al2O3含量对复合材料硬度的影响如图1所示。由图可知，复合材料的硬度随着纳米Al2O3含量的增加而增大，这是因为纳米Al2O3属于硬质材料，在复合材料中起到传递载荷的作用，随着纳米Al2O3与PTFE充分地吸附，其颗粒均匀地分散于PTFE基体中，起到了刚性支承的作用，从而提高了复合材料的硬度。

图1 纳米Al2O3含量对复合材料硬度的影响

2.2 纳米Al2O3含量对复合材料压缩强度的影响

纳米Al2O3含量对复合材料压缩强度的影响如图2所示。由图可知，复合材料压缩强度随纳米Al2O3含量的增加逐渐增大。这是因为纳米Al2O3的表面能和表面张力远大于一般填料，其均匀分散到PTFE基体中，不仅使PTFE材料的黏弹性迅速增大，还起到一定的承载和支承作用，从而提高了压缩强度。

图2 纳米Al2O3含量对复合材料压缩强度的影响

2.3 纳米Al2O3含量对复合材料拉伸性能的影响

纳米Al2O3含量对复合材料拉伸性能的影响如图3所示。由图可知，复合材料拉伸强度和断裂伸长率随纳米Al2O3含量的增加而减小，这是因为纳米Al2O3填充到PTFE基体中，会阻碍基体大分子链及链段的运动，同时纳米Al2O3产生应力集中，也会导致复合材料拉伸强度下降；此外，复合材料硬度及弹性模量等参数的提高，使得复合材料的刚性和脆性增加，因而断裂伸长率降低较为明显。

图3 纳米Al2O3含量对复合材料拉伸性能的影响

2.4 纳米Al2O3含量对复合材料摩擦磨损性能的影响

纳米Al2O3含量对PTFE复合材料摩擦磨损性能的影响如图4所示。由图可知，纳米Al2O3/PTFE复合材料的摩擦因数均高于纯PTFE，而磨损量均低于纯PTFE；随着纳米Al2O3含量的增加，摩擦因数急速上升，磨损量急速下降，当纳米Al2O3质量分数达到5%后，摩擦因数和磨损量变化趋势均变缓。这是因为纳米Al2O3尺寸小、比表面积大，表面能和表面张力随粒径的减小急剧增大，表现出小尺寸效应、表面效应和量子尺寸效应等特点，纳米Al2O3在PTFE基体中均匀分散，对PTFE进行了有效的填充。在摩擦磨损过程中，纳米Al2O3具有优先承载的作用，且大比表面积又可吸附基体大分子链，使基体大分子链互相缠绕，从而阻止了PTFE带状结构的大面积破坏，提高了PTFE的耐磨性；另一方面，纳米Al2O3使得PTFE由黏着磨损转变为黏着磨损和磨粒磨损共同作用，从而增加复合材料的摩擦因数[4]。

图4 纳米Al2O3含量对复合材料摩擦磨损性能的影响

2.5 复合材料磨损机理分析

纳米Al2O3/PTFE复合材料的磨损表面形貌如图5所示。由图可知，纯PTFE磨损呈平纹带状结构(图5a)，磨痕表面较为光滑，沿着摩擦方向发生了塑性形变，属典型黏着磨损；由图5b～图5f可知，纳米Al2O3/PTFE复合材料的磨痕表面均有不同程度的犁沟和细小的磨屑，磨损机理表现为黏着磨损与磨粒磨损共同作用。对比可知，当纳米Al2O3的质量分数为5%时磨损形貌最平整，这是因为纳米Al2O3含量较少时，难以完全阻碍聚PTFE大分子带状结构破坏；纳米Al2O3含量过多时，其在摩擦面上的分布扩大，形成磨粒磨损破坏转移膜，导致复合材料耐磨性变差。

图5 复合材料磨损表面形貌

2.6 测试温度对复合材料力学性能的影响

纳米Al2O3改性PTFE复合材料主要用于超低温轴承，由于介质和温度的限制，该类轴承无法采用脂或油润滑，且超低温流体黏度低也无法形成有效的流体润滑，因此，在轴承运转过程中，保持架既要承受滚动体的冲击又要产生转移膜来保证润滑。综合考虑复合材料的力学性能、摩擦磨损性能及使用温度，确定纳米Al2O3的质量分数为5%，并对该配方复合材料进行了低温下相关性能测试，结果见表2。

表2 复合材料常温与低温性能比较

由表2可知，与常温(23 ℃)相比，液氮(-196 ℃)和液氢(-253 ℃)温度下复合保持架材料拉伸强度和弹性模量有所增加，断裂伸长率和冲击强度有所下降，呈典型脆性材料特征。这主要是由于复合保持架材料属于高分子材料，随着测试温度的降低，相邻分子链的构象或链段之间距离变短，单键内旋转能增加，相对来说破坏高分子构象或链段的力增加，使得复合保持架材料拉伸强度和弹性模量增加；另一方面，分子链的构象或链段之间距离变短，造成复合保持架材料单键内旋转困难，致使复合保持架材料柔顺性变差，脆性增加，断裂伸长率变低[5]。

3 结论

1)随着纳米Al2O3含量的增加，纳米Al2O3/ PTFE复合保持架材料的硬度和压缩强度增大，拉伸强度和断裂伸长率变小，摩擦因数急速上升，磨损量急速下降，当纳米Al2O3质量分数达到5%后，摩擦因数和磨损量变化趋势均变缓。

2)通过对纳米Al2O3/PTFE复合保持架材料摩擦磨损性能分析认为，纳米Al2O3阻碍了PTFE大分子带状结构破坏，有效保护了PTFE基体，当纳米Al2O3的质量分数为5%时，复合保持架材料磨损形貌最平整。

3)与常温相比，液氮和液氢温度下纳米Al2O3/PTFE复合保持架材料拉伸强度和弹性模量有所增加，断裂伸长率和冲击强度有所下降，呈典型脆性材料特征。