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影响摩擦系数的主要因素

两个物体之间的摩擦力与其法向压力之比值为摩擦系数，有静摩擦系数和动摩擦系数之分。同一摩擦副在相同条件下，静摩擦系数大于动摩擦系数。
摩擦系数的大小取决于摩擦种类、材料种类、摩擦面的粗糙度等条件，不同种类的摩擦系数大致如下；
干摩擦系数为0.1—0.8，边界摩擦系数为0.05一0.1；液体摩擦系数为0.001一0.1；滚珠擦系数为0.001—0.03，滚柱摩擦系数为0.002一0.07

影响摩擦系数的主要因素有：
1：材料的性质
相同金属或互溶性加大的金属摩擦副容易发生粘着现象，使摩擦系数增大。不同金属由于互溶性差，不易发生粘着，摩擦系数一般比较低。
2：表面膜的存在
基建在空气中总有一层氧化膜，可以使摩擦系数降低。
3：速度和温度的影响
4：载荷的影响
对大多数物质来说，载荷的变化会直接影响到摩擦系数。
5：振动的影响
6：光洁度的影响

材料的摩擦系数与温度

摘 要：本文介绍了温度变化对材料摩擦系数的影响，并分析了实际应用中对薄膜摩擦系数的实际检测要求。
关键词：摩擦系数,温度,粘滑
1、摩擦系数 摩擦系数是对两表面摩擦力的一种量度，它表征了材料的摩擦行为。薄膜表面的摩擦系数取决于薄膜表面的粘着性（表面张力和结晶度）、添加剂（爽滑剂、颜料等）、以及表面抛光。在进行以下操作工序时需要严格控制材料的摩擦系数，如当薄膜越过自由转辊、袋成型、产品缠绕膜、以及包装袋及其它容器的堆放。除了材料的内部可变因素能够影响材料的摩擦系数，环境因素（如机器运转的速度、温度、静电积累、以及湿度）也能影响摩擦系数的试验结果。 2、温度对摩擦系数的影响 高分子材料分子运动状态的改变按照动力学的观点称作松弛。温度升高时，一方面可提高各运动单元的热运动能力，另一方面由于热膨胀，分子间距离增加，即高聚物内部的自由体积增加，这就增大了各运动单元活动空间，有利于分子运动，使松弛时间缩短，松弛过程加快。伴随着高聚物的松弛，它的热力学性质、粘弹性能和其它物理性质会发生急剧地改变。而材料的摩擦系数作为最常用的一项力学指标，同样也受到了温度升高的影响。一般来讲， 随着环境温度的升高，材料表面的摩擦系数会有一定的变化，但变化的大小因材料而异。 3、升温试验 为了验证温度变化对摩擦系数值的影响，笔者特地选择了几组有一定代表性的材料在不同温度下测定它们的摩擦系数。以下是其中 2 组试验的详细试验信息及结果： 试样： PC 膜、铝箔复合膜 试验设备： Labthink FPT-F1 摩擦系数 / 剥离试验机（可实现室温到 99.9℃之间的自控温） 试验温度：室温～ 90.0℃ 试验数据： 表 1. PC 膜摩擦试验数据表 试验温度℃ 静摩擦系数 mean 1 动摩擦系数 mean 1 32.1 0.285 0.244 45.5 0.336 0.212 62.0 0.387 0.319 74.1 0.435 2 0.322 2 87.5 0.433 2 0.300 2 　　　　　　　　　　　　　　注 　1 ：试验数据为多组试验平均值。　　　　　　　　　　　　　　　　 2 ：粘滑现象。表 2. 铝箔复合膜摩擦试验数据表 试验温度℃ 静摩擦系数 mean 1 动摩擦系数 mean 1 29.6 0.314 0.239 46.2 0.355 0.277 74.3 0.343 2 0.253 2 89.5 0.429 2 0.241 2 　　　　　　　　　　　　　　注 　1 ：试验数据为多组试验平均值。　　　　　　　　　　　　　　　　 2 ：粘滑现象。试验数据随温度升高的走势如图 1 所示。 图 1. 摩擦系数随温度升高的走势图 从图 1 可以看出试验温度的升高明显影响了材料的摩擦系数，但对于不同的试样，温度的影响效果不同；而且对于同一试样，随温度的上升，动摩擦系数的变化趋势很可能也不同于静摩擦系数。例如对于 PC 膜，静摩擦系数随温度升高的增长趋势比较稳定，但动摩擦系数的变化趋势的波动就很大，不过动摩擦系数的整体趋势也是增长的。对于铝箔复合膜，摩擦系数的增长趋势就不如 PC 膜，而且其动摩擦系数随温度的上升基本保持稳定。需要说明的一点是，在进行 74℃以上的摩擦试验时，试验过程中出现了明显的粘滑现象，即滑动现象 是不平稳的、间歇性的。 4、实际要求 在实际包装过程中的摩擦力常常既是拖动力又是阻力，因此必须有效地控制摩擦系数的大小，使它在适当的范围内。自动包装用卷材，一般要求内层摩擦系数比较小，而外层摩擦系数适中。内层摩擦系数不能过小，否则有可能引起制袋成型时叠料不稳定而产生错边。外层摩擦系数太大会引起包装过程中阻力过大致使材料拉伸变形，太小可能又会引起拖动机构打滑造成电眼跟踪和切断定位不准。内层材料的开口剂和爽滑剂的含量以及薄膜的挺度、平滑度等因素都会影响复合膜摩擦系数的大小。在研究材料的摩擦系数时，应特别注意温度对摩擦系数的影响。如之前所述，温度不同会导致摩擦系数的显著变化，需要通过实际检测获得实测数据。某种材料的摩擦系数可能会随着温度的变化出现明显的增长或减少，也可能保持了一定的数据稳定性。考虑到生产线的实际运转温度往往不能很好的控制在室温附近，因此不仅要测量包装材料在常温下的摩擦系数，还应考察在实际使用环境温度下的摩擦系数。要完成这项试验，可以改变实验室的环境温度（当所需温度与 室温相差不大时还是可取的），也可以借助检测设备的自控温功能，如 Labthink FPT-F1 就可以将试验温度控制在室温到 99.9℃之间，方便试验操作。
车制动摩擦片的常见问题的分析！制动摩擦片摩擦系数高低对制动的影响？
制动摩擦片摩擦系数高低对制动的影响？

制动摩擦片的摩擦系数过高或过低都会影响汽车的制动性能。尤其是汽车在高速行驶中需紧急制动时，摩擦系数过低就会出现制动不灵敏，而摩擦系数过高就会出现轮胎抱死现象，进而造成车辆甩尾和打滑，对行车安全构成严重威胁。

按照国家标准，制动摩擦片的适宜工作温度为100~350℃。但许多劣质制动摩擦片在温度达到250℃时，其摩擦系数就会急剧下降，而此时制动就会完全失灵。一般来说，按照SAE标准，制动摩擦片生产厂商都会选用FF级额定系数，即摩擦额定系数为0.35~0.45。

制动摩擦片的寿命与硬度的关系是怎样的？
制动摩擦片的寿命与表面硬度并没有一定的关系。但如果表面硬度高时，制动摩擦片与制动盘的实际接触面积小，往往会影响使用寿命。而影响制动摩擦片寿命的主要因素包括硬度、强度、摩擦材料的磨损性等。一般情况下，前制动摩擦片的寿命为3万km，后制动摩擦片的使用寿命为12万km。

制动时为什么会产生抖动现象？
往往是由于制动摩擦片或制动盘的变形造成的，这与制动摩擦片和制动盘的材质、加工精度及使用受热变形有关，其主要原因有制动盘厚薄不匀、制动鼓的圆度差、制动摩擦片的不均匀磨损，以及热变形和热斑等。

 除此之外，制动卡钳的变形或安装不当，以及制动摩擦片的摩擦系数不稳定也会引起制动时抖动。另外，如果制动摩擦片在制动时产生的振动频率与悬挂系统产生共振时，也会产生抖动现象。 涉水后对制动性能的影响？ 由于涉水后制动摩擦片/蹄与制动盘/鼓之间有一层水膜，减小了摩擦力，会影响制动效果，而且制动鼓内的水也不容易散出。 对于盘式制动器来说，这种涉水对于制动效果带来的影响会低一些，因为盘式制动器的制动摩擦片接触面积小，而且是暴露在外，不会存留水滴。在车轮转动时由于离心力的作用，制动盘片上的水滴会很快散失，只要涉水后猛踩几脚制动就会去除残留的水层。 但对于鼓式制动器来说，在涉水后必须要边走边踩制动，即边踩油门边踩制动，连续几次后可将制动蹄与制动鼓之间的水份蒸发掉，进而恢复制动效果。

为什么制动时会产生噪声？
制动时噪声的产生主要是由于悬挂系统相关部件的共振或相互干涉引起的。但也存在由于制动盘的材料使用不当或变形，制动摩擦片的硬度、孔隙率、摩擦特性和压缩特性不合格，制动摩擦片和制动盘受潮生锈（只需制动几次即可恢复），制动摩擦片配方中的金属丝太硬，制动摩擦片磨损程度报警，以及机械式制动摩擦片刮盘等原因引起的噪声或尖叫。

为什么新装的制动摩擦片有制动偏软的现象？
在更换新的制动摩擦片后可能会出现制动偏软的现象，其可能有原因有：制动摩擦片安装不符标准，制动盘表面有污染而未清洁，制动管路存在故障或制动液不足，制动液压缸内排气不彻底，制动盘过度磨损且表面不平整，以及制动摩擦片质量不合格。

为什么会出现制动迟滞现象？
出现制动迟滞的现象，可能原因有：制动器回位弹簧失灵，制动摩擦片与制动盘间隙不当或装配尺寸过紧，制动摩擦片热膨胀性能不合格，以及驻车制动回位不良。

制动时冒烟是为什么？
制动摩擦片中含有20％左右的有机物，温度过高时会发生分解并冒烟，并在摩擦片表面形成一层油状物质，影响制动效果。而发生这种现象可能的原因有：在下坡时频繁制动，引起温度过高而冒烟；制动摩擦片的配方中有机物含量不合格，超标。

制动摩擦片的背板为何会脱落？
制动摩擦片的背板脱落有两种情况，一是背板与摩擦材料之间产生裂纹；二是摩擦材料自身产生裂纹。而可能的原因有：背板的前期处理工艺差，摩擦材料的稳定性差，压制工艺不合格，粘合剂质量差，使用温度过高，不正确的安装、撞击和敲打。

制动摩擦片内槽的作用？
制动摩擦片内槽的作用有排放气体，降低噪音并改变产品固有频率，排出磨屑，增强摩擦材料与背板的粘合程度。

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增强摩擦纤维的选用

慧聪网   2006年11月23日9时59分      

1、钢纤维
使用低碳钢以及采取超声波切削法生产出的钢纤维含油量低、表面活性好、价格便宜，因此在半金属基摩擦材料中得到广泛应用。钢纤维最显著的特点是导热性能好。钢纤维以其高导热性能使局部表面热量迅速扩散至内部，从而降低摩擦表面温度，避免表面温度过高，防止树脂基体团热分解而导致材料磨损加剧，延长了制品的使用寿命。但钢纤维制成的摩擦材料质量大，容易锈蚀。用这种材料制成的离合器面片锈蚀后导致粘连，影响换档分离，并导致传动振动和抖动[2]。研究表明，加入一定量的锌粉和氧化钙等可以增强材料的防锈性能，而对摩擦性能无明显影响；钢纤维和矿物纤维及有机纤维混杂使用可以进一步降低材料的密度及改善制动噪声[2]。目前，钢纤维增强摩擦材料在我国多种汽车上进行了应用，反映较好。
2、玻璃纤维
玻璃纤维作为代用增强纤维的研究时间较长，产品质量比较稳定，产量较大，价格也相对比较便宜。玻璃纤维属于无机硅酸盐纤维，因而热稳定性较好。其表面处理工艺也得到了广泛的研究，研制出多种偶联剂，与树脂亲和性较好，因此在增强纤维摩擦材料中得到了一定的应用。据国外报道，玻璃纤维增强的摩擦材料，其摩擦磨损性能良好[3]，但玻璃纤维增强材料对载荷、滑动速度及制动温度等固素反应较敏感。在重载房速及高温下，摩擦系数变化明显，不稳定[4]。玻璃纤维用作摩擦材料的增强纤维有一定的要求。玻璃纤维应较柔软，而含15－30 ％氯化钾的玻璃纤维可使莫氏强度下降，使玻璃纤维变软，认为E玻璃纤维可以使用[1]。虽然说玻璃纤维能够运用在摩擦材料的增强材料中，但玻璃纤维有不足之处。①硬度过高，磨损比石棉增强材料大；②当温度超过800℃时易形成玻璃珠，而玻璃珠莫氏硬度更高，材料磨损量会进一步增加；③玻璃纤维增强材料的摩擦系数随温度有较大的变化，摩擦系数不稳定。
3、碳纤维
碳纤维具有高比强度、高比模量、耐热、耐磨、耐腐蚀及热膨胀系数较小等许多优点。碳纤维增强基体的（C／C）复合摩擦材料在航空航天工业中得到了广泛应用。碳纤维增强基体的航空刹车用复合材料具有质量轻、抗热冲击性好、摩擦系数稳定、使用寿命长等特点，是新一代的航空刹车副[9、10]。目前，国际上大多数军用和民用干线飞机采均用碳纤维增强基体的复合材料刹车副。但用作一般民用的摩擦材料还存在以下障碍；①碳／碳复合材料制作工艺复杂成本很高，原材料价格也较高，产量有限。②现有的碳纤维一般为长纤维，而应用于摩擦材料中的增强纤维一般是2－5mm的短纤维。这一点目前较难达到。③碳纤维尤其是高模量石墨纤维的表面是惰性的，与树脂的润湿性、粘附性差，所以皮制备碳纤维增强复合材料时，须对碳纤维表面进行处理，以提高碳纤维与树脂间的粘附强度。处理后碳纤维不但表面积增大，还能在表面生成活性基团（如羰基、羧基、和羟基等），通过这些基团使碳纤维与树脂基体之间产生化学键，从而提高界面强度。
4、有机纤维
芳纶（Kevlar）、聚丙烯纤维、聚乙烯纤维、聚酯纤维等可燃点高，高温热分解不明显，因而也可用作摩擦材料的增强纤维。有机纤维单独作为增强纤维使用时，一般都要经过表面处理，通常是把天然或合成的有机纤维放在非电解的处理液中，使纤维表面镀上薄薄一层金属[1]。经过表面处理的有机纤维，既具有金属纤维的优点，如导热性好，耐磨等；又具有非金属纤维的特点，如密度小，韧性好等。例如，较常用的芳纶（Kevlar-49）特点是强韧性好，弹性模量高，密度低，价格只相当于碳纤维的1/3，其不足之处是由它所制成的复合材料的耐压强度及弯曲疲劳握度不太好。研究表明，有机纤维可以提高材料摩擦性能的稳定性，明显降低磨损量，对于降低制动噪声也有明显作用。但有机纤维在摩擦材料中的应用还存在价格、表面处理、分散工艺等问题，有待进一步研究。
5、矿物纤维
矿物纤维取材广泛，且价格低廉，也逐步引起人们的注意。用价格便宜的矿物纤维取代石棉纤维将是摩擦材料研究的一个重要课题。矿物纤维也存在以下缺陷：①一般合结晶水，高温制动时易脱水，材料性能不太稳定;②质量不稳定;产品质量受产地、产时的影响较大。如果选择产量大、品位高的矿物纤维，调整摩擦材料配方后可取得较好效果。

2008年8月
第33卷第8期
润滑与密封
LUBRICATIONENGINEERING
Aug.2008
Vol133No18
收稿日期:2008-04-10
作者简介:范清,女,高级工程师,E2mail:fanqing_gy@
yahoo1com1cn1
PTFE复合材料高温摩擦磨损性能研究
邓联勇 范 清 彭 兵 王 勇
(广州机械科学研究院 广东广州510700)
摘要:研究了高温条件下不同填料填充的PTFE复合材料的摩擦磨损性能,并与常温下的摩擦磨损性能进行了比
较.结果表明青铜粉,纤维填充的复合材料在高温下表现出与常温相反的摩擦磨损规律;碳类填充复合材料在不同温度
下则表现出较为稳定的规律;特种塑料改性的PTFE复合材料,具有极好的综合性能.
关键词:PTFE;复合材料;摩擦磨损
中图分类号:TH11711 文献标识码:A 文章编号:0254-0150(2008)8-098-4
ResearchonTribologicalBehaviorsofPTFEComposites
atHighTemperature
DengLianyong FanQing PengBing WangYong
(GuangzhouMechanicalEngineeringResearchInstitute,GuangzhouGuangdong510700,China)
Abstract:ThetribologicalbehaviorsofPTFEcompositesathightemperaturewasstudiedandcomparedwiththoseat
normaltemperature.Itisindicatedthatthecompositesfilledwithbronzepowderorfibersshowdifferentfrictionandwear
propertiesatnormalandhightemperature,thecompositesfilledwithcarbolicfillershavestabletribologicalbehaviorwhen
temperaturechanges.Thecompositesfilledwithspecialplastichavebestcomprehensiveperformance.
Keywords:PTFE;composites;frictionandwear
聚四氟乙烯(PTFE)是一种性能优异的固体自
润滑材料[1-2],具有极低的摩擦因数,良好的化学稳
定性及热稳定性,广泛应用于各行各业.但纯PTFE
的硬度低,耐磨性较差,机械强度低,在外力作用下
有较大的粘弹性变形,易蠕变等[3-6],这些缺点限制
了PTFE的应用.为了弥补PTFE物理性能上的不足,
需要用不同填料与PTFE进行复合,改善其硬度,耐
磨耗性,蠕变性,热传导性等,从而获得综合性能良
好的复合材料.目前,国内外对PTFE复合材料的力
学性能及常温摩擦磨损性能报导较多,但对高温下摩
擦磨损性能鲜见有报导.
PTFE的实际使用性能以及最终寿命受到很多因
素的影响,如产品的结构,机加工精度,使用的环境
(如压力,温度,介质等)等.另外,材料本身性能
也影响最终使用性能.使用PTFE复合材料时,材料
的摩擦性能,耐磨性能,耐压性能是材料设计时要首
先考虑的因素.PTFE虽然是耐热性的高聚物,但仍
会出现高温软化等高分子固有的特性,使得摩擦机制
较为复杂,而添加填料后,使得高温下的摩擦磨损性
能更为复杂.常温下的摩擦磨损性能,并不能完全真
实地反映其高温下性能以及实际使用的性能.因此采
用常温摩擦磨损实验结果与SRV高温实验结果进行
比较分析,更能揭示PTFE复合材料不同温度下的性
能差异.
本文作者用炭类填料,青铜粉,玻璃纤维以及聚
酰亚胺(PI),聚苯酯(EKONOL)等对PTFE进行
改性,并模拟无油往复式压缩机工作环境,研究了各
种复合材料的高温摩擦磨损.
1 实验与测试
111 原材料及样品制备
实验所用的聚四氟乙烯原料为日本大金生产,其
它原料均为市购.
实验所用的聚四氟乙烯复合材料的制备工艺为:
混料———压制———烧结———机加工———砂纸打磨.实
验所用的聚四氟乙烯复合材料配方见表1.
表1 PTFE复合材料配方
Table1 PTFEcompositesformula
编号配方
1#PTFE+PI+碳类填料
2#PTFE+PI+碳类填料+特种纤维
3#PTFE+PI+EKONOL
4#PTFE+青铜粉+玻璃纤维
5#(521#,522#,523#)PTFE+碳类填料(中等填充量)
6#PTFE+碳类填料(高填充量)
7#(721#,722#)PTFE+青铜粉
8#(918)PTFE+玻璃纤维+特种纤维
注:复合材料521#,522#,523#的填料含量依次增加,为国外
产品;复合材料721#,722#分别为国外两家著名公司产品.
112 测试仪器及测试条件
在每次试验前,将样品及对偶表面用丙酮棉球擦
洗干净,并在空气中晾干.
11211 MM2200摩擦磨损测试
实验所用的MM2200摩擦磨损实验机为宣化材料
实验机厂生产.其测试条件为:
摩擦副:45#钢环;
接触方式:面接触;
运动方式:旋转式滑动摩擦;
测试速度:0142m/s;
测试温度:常温;
测试时间:60min.
磨损量以试验后样品表面的磨痕宽度表征.摩擦
因数按下式计算:
μ=M/(FR)
式中:M为摩擦力矩(N m);F为载荷(N);R为
对磨环的半径(m).
磨损率按照下面公式计算[5]:
Ws=ΔV/(pL)
ΔV≈14bh/3
h=R-(R2-b2/4)015
式中:R为对偶环半径(mm);b为磨痕宽度
(mm),磨痕宽度用精度为0101mm的读数显微镜测
得;ΔV为磨损体积(mm3);p为载荷(N);L为滑
行距离(m).
11212 SRV高温摩擦磨损测试
实验所用的SRV2IV型高温摩擦磨损仪为德国
Optimol公司生产.其测试条件为:
摩擦副:灰铁(HT200);
接触方式:面接触;
运动方式:往复滑动摩擦;
测试压力:500N(517MPa);
测试频率:60Hz;
行程:1500μm;
测试温度:180℃;
测试时间:60min.
磨损量为样品表面磨损深度(精确到011μm),
摩擦因数和磨损量均有计算机自动给出.
2 结果与讨论
211 常温摩擦磨损性能
表2为各种PTFE复合材料的常温摩擦磨损测试
结果.可以看出,几乎所有填料均可大大降低PTFE
复合材料的磨损,极大地提高PTFE复合材料的耐磨
性,但却不同程度上使得PTFE复合材料的摩擦因数
增大.填料的加入能提高PTFE的耐磨性能,是因为填
料的刚性大,比PTFE更为耐磨,主要是以下3种机
制或它们共同作用的结果.
(1)由于填料颗粒具有较高的强度和刚度,填
料优先承受外界负荷,降低PTFE本体所受到的作用
力,起到了支持负荷的作用,同时在正压力的作用
下,部分填料颗粒被重新嵌入PTFE基体中,减少了
PTFE直接磨损和从表面抽出的机会,因而可以提高
耐磨性能,如4#,7#复合材料.
(2)填料在PTFE内部形成网络节点或网络结
构,对PTFE产生了束缚作用,可以阻止PTFE的形
变位错和分子链的运动,从而提高耐磨性.如4#,8#
配方中由于纤维类填料存在,对于机械混合的试样来
说,其中纤维的排列是杂乱无序的,在PTFE基体中
形成网状结构,有效地减少PTFE的抽出.因而纤维
类的减磨效果最佳,但纤维类填料会导致摩擦因数上
升较大,且容易磨损金属对偶件.
(3)对转移膜的影响.金属填料促进了PTFE复
合材料向对偶表面的转移,并增强了转移膜与对偶表
面间的粘附,使得转移膜更稳定地存在,从而大大降
低复合材料的磨损现象.5#,6#碳类填料中的石墨则
由于本身层状结构,具有自润滑效果.随着摩擦作用
的进行,石墨也逐渐在摩擦表面形成润滑膜,由于石
墨润滑膜存在,并与PTFE膜协同作用,因而可以减
少磨损.由于PTFE和石墨都具有优良的自润滑作
用,因而添加有石墨的PTFE摩擦因数一般较低,但
单纯石墨填充的PTFE复合材料磨损性能较差,且不
宜在高负荷条件下应用.
表2 常温下PTFE复合材料摩擦磨损性能
Table2 TribologicalbehaviorsofPTFE
compositesatnormaltemperature
配方磨痕宽度/mm摩擦因数
纯PTFE17140112
1#21910113
2#21250115
3#51520112
4#41470122
5#(521#,522#,523#)51930118
6#61410119
7#(721#,722#)41600121
8#31550120
从表2结果来看,常温下填充各种填料的PTFE
复合材料的磨损性能差异不大(PI和PTFE复合材料
较好),除了填料本身的特性外(不同填料适用于不
同的气氛),各种复合材料未能显现更突出的优势,
似乎可以互相代替使用.但对于PTFE复合材料而
言,其更多应用于温度较高场合.如压缩机中由于高
992008年第8期邓联勇等:PTFE复合材料高温摩擦磨损性能研究
速运动以及气体的压缩,使材料所处的环境温度超过
150℃甚至达到200℃.高温下复合材料发生的变化
要更为复杂,常温和高温下摩擦磨损行为并不能完全
等同,因此有必要研究PTFE复合材料的高温摩擦磨
损性能.
212 高温摩擦磨损性能
高温180℃时所研究的几种复合材料的摩擦磨损
性能如表3所示.由于测试环境温度为180℃,再加
上PTFE与金属接触产生相对运动时的摩擦生热,摩
擦接触点处温度会继续升高.PTFE虽然具有极大的
热稳定性和化学惰性,高的温度不会增加它的化学活
性,但会减弱分子间的范德华引力,导致分子间内聚
能下降,表面接触区域附近材料抗剪切强度下降,加
剧PTFE的磨损.因此高温下的磨损机制更为复杂,
不仅涉及到填料的耐磨性的增强,也涉及到填料的导
热性能以及高温下填料与PTFE的相容性.
表3 高温下PTFE复合材料摩擦磨损性能
Table3 TribologicalbehaviorsofPTFE
compositesathightemperature
配方最终磨痕深度/μm相对磨损量/μm摩擦因数
1#15511120111
2#13015430123
3#28311290112
4#23211320119
5#18313230121
521#22113340120
522#22012540122
523#302181020129
6#20018600127
7#726195630141
721#939187720139
722#912167480142
8#20412400127
注:最终磨痕深度包括了材料受压变形量和磨损量,真实地反
映了材料在一定压力,经过磨损后与材料表面产生的位移;相
对磨损量,指的是不包括压缩变形的磨损深度,单纯地反映了
材料的耐磨性能.
21211 普通填料填充PTFE复合材料
如图1所示,为PTFE填充青铜粉,玻璃纤维,
碳类填料等的摩擦磨损性能.从图中可看出,3种高
青铜粉填充的材料7#,721#,722#与其它复合材料高
温摩擦磨损性能差异极大.7#,721#,722#不仅磨损
量,摩擦因数很大且随着对磨的进行呈上升趋势.分
析其原因,是由于金属粉末本身就与PTFE的相容性
不好,再加之填充量高,在高温下PTFE就变软,无
法包含更多填料,随着摩擦的进行,填料不断从基体
脱落出来,又被挤压进入基体,表面的摩擦形式不断
发生变化,这也是加入金属填料的PTFE复合材料的
摩擦曲线有相对较大波动的原因.同时由于金属颗粒
在材料表面的存在形成磨粒磨损,加剧了复合材料的
磨损.其中7#复合材料为广州机械科学研究院密封
研究所研制的产品,由于加入了固体润滑材料,摩擦
因数和磨损量在三者中相对较低.因此对于金属填充
的PTFE复合材料高温摩擦磨损性能需要更进一步研
究.图1 不同填料填充PTFE复合材料摩擦磨损性能对比
Fig1 ThefrictionandwearpropertiesofPTFE
compositesfilledwithdifferentfillers
与金属填充的复合材料不同的是,玻璃纤维填充
以及碳类填充的PTFE复合材料高温磨损性能表现较
为优异.4#材料由青铜粉和玻璃纤维填充,一般来说
由于纤维的加入会提高耐磨性,同时也会增加摩擦因
数,但是经过在180℃温度下多次重复性测试,4#材
料却具有较低的摩擦因数和磨损量.低的磨损量是由
于纤维起到支撑骨架,形成的网状结构对PTFE大分
子有束缚作用,阻止PTFE的带状结构的大面积破
坏,但高温下具有低的摩擦因数的机制尚不清楚,这
也是以后重点研究的方向之一.
同样地,含有碳类填料PTFE复合材料具有良好
高温摩擦磨损性能,这与碳类填料本身与PTFE有良
好的相容性有关,即使在高温下此类填料的相容性也
远远胜过其它类填料.由于碳类填料价格便宜,导热
性,耐磨性好,且与PTFE共混容易分散,只要经过
不同碳类填料的调配,优化,可制得高温摩擦磨损性
能优良的复合材料.图2为国外某知名公司和广州机
械科学研究院密封研究所研制的填充碳类复合材料的
摩擦磨损性能对比.可以看出,随着填料含量增加,
复合材料的摩擦因数依次增大,相对磨损量也依次增
大(见表3),尤其是高填充量的复合材料更是如此
(但高填充量的复合材料抗压能力强,适合压力较高
的场合).8#材料虽然摩擦因数较高,但摩擦曲线平
稳(而国外同类产品523#摩擦曲线则呈上升趋势).
碳类填充的复合材料不仅与填料本身特性有关,同时
也与各组分的配比有关,只要选择合理的材料和配
比,优化生产加工工艺,中等填充量碳类也能获得摩
001润滑与密封第33卷
擦和磨损综合性能优异的材料,如5#材料.
图2 碳类填充PTFE复合材料摩擦磨损性能对比
Fig2 ThefrictionandwearpropertiesofPTFE
compositesfilledwithcarbolicfillers
21212 特种塑料填充PTFE复合材料
复合材料中所使用的特种塑料(PI,EKONOL)
均为芳香族高结晶聚合物,具有优良的摩擦性能,耐
磨损且对金属对磨件几乎没有任何磨蚀作用,同时又
具有一定的自润滑性能,可在性能上与PTFE互补,
克服PTFE的易蠕变,不耐磨等缺陷.
图3 特种塑料填充PTFE复合材料摩擦磨损性能对比
Fig3 ThefrictionandwearpropertiesofPTFE
compositesfilledwithspecialplastic
如图3所示,1#和3#材料,与综合性能较好的碳
类填充5#材料相比,在高温下显示出稳定且较低的
摩擦因数,这是因为没有添加填料或者填料较少的原
因.由于PTFE和特种塑料本身就具有自润滑性能,
因而复合材料的摩擦因数较低.此外,特种塑料自身
耐磨以及耐高温性能更优于PTFE,因而复合材料的
耐磨性(相对磨损量)也相对较好,见图3(a).图
3(b)中的在没有开始摩擦之前的初始位移,是因
为压缩变形导致,因此可以反映其耐压性能.可以看
出,没有加入填料的3#材料或加入填料很少的1#材
料,虽然耐磨性相对较好,但他们的耐压性能要比加
入填料的2#材料差很多,因此最终磨痕深度要大些.
但总体来说特种塑料填充的PTFE合金,再优化加入
填料,将可以制得摩擦,磨损以及耐压性能极为优越
的复合材料.
3 结论
(1)青铜粉填充的PTFE复合材料在高温下表现
出高的摩擦因数和磨损量.
(2)纤维填充的PTFE复合材料则表现出较低的
摩擦因数和磨损量.
(3)经过优化设计可以制得综合性能较好的碳
类填充PTFE复合材料.
(4)特种塑料改性的PTFE复合材料,具有极好
的综合性能.
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