近幾十年來(lái)，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)材料的使用要求也越來(lái)越高，普通的均一單質(zhì)的材料已經(jīng)不能滿(mǎn)足不斷增長(zhǎng)的多方面的需求。因此它們的應(yīng)用也受到限制，各種新型的*材料也應(yīng)運(yùn)而生。*材料的種類(lèi)很多，包括以金屬和非金屬材料為基體的具有各種充填物的復(fù)合材料。在本書(shū)中，我們只介紹*高分子材料。為了改善純高分子材料的力學(xué)性能，一般加入增強(qiáng)纖維如玻璃、碳及石棉或纖維編織物，以及各種金屬粉、氧化物等的顆粒填充組成復(fù)合型高分子材料。

就摩擦磨損方面來(lái)說(shuō)，不同填料對(duì)高分子材料摩擦磨損性能的改善程度是不同的，其相關(guān)機(jī)理也不相同，如銅粉、鋁粉、青銅粉等填料主要靠自身的抗蠕變性、抗壓強(qiáng)度、硬度及尺寸穩(wěn)定性來(lái)提高復(fù)合材料的耐磨損性能；而鉛粉、石墨、二硫化鉬、氮化硼等填料主要是靠其自潤(rùn)滑性、熱穩(wěn)定性、耐化學(xué)穩(wěn)定性的特點(diǎn)來(lái)彌補(bǔ)高分子材料的不足；還有一些填料是靠自身的補(bǔ)強(qiáng)性能來(lái)提高高分子材料的摩擦磨損性能，如碳纖維、玻璃纖維、織物、晶須等。

由于構(gòu)成*高分子材料的填料可以起到各種不同的作用，因此選擇合適的方法對(duì)其分類(lèi)在高分子材料摩擦研究領(lǐng)域顯得比較重要，國(guó)外有人提出根據(jù)填料在材料中所起的兩種作用進(jìn)行分類(lèi)：①填料用來(lái)改善整體性能；②填料用來(lái)改善界面性能。這樣，可以把*高分子材料分成兩類(lèi)：整體改性材料(在軟質(zhì)基體中加入硬而強(qiáng)的填料);界面改性材料(在硬而強(qiáng)的基體中加入軟而具有潤(rùn)滑性的填料)。

20世紀(jì)90年代，國(guó)外有人系統(tǒng)研究了固體潤(rùn)滑劑、無(wú)機(jī)填料等對(duì)高分子材料摩擦磨損行為的影響。相比無(wú)機(jī)填料，固體潤(rùn)滑劑(如聚四氟乙烯、石墨等)可以使摩擦系數(shù)和磨損率同時(shí)降低；其中聚四氟乙烯，而石墨次之。對(duì)于金屬填料，其摩擦磨損結(jié)果比較復(fù)雜，主要依賴(lài)于填料和高分子材料的性能。另外，填料對(duì)磨損率的影響往往存在一個(gè)最佳填充比。有人研究了二硫化鉬、石墨、玻璃纖維、碳纖維等填料對(duì)聚四氟乙烯的改性的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)填料可使聚四氟乙烯的磨損率降低2個(gè)數(shù)量級(jí)；硬質(zhì)填料比軟質(zhì)填料效果要好，但是硬質(zhì)填料卻使摩擦系數(shù)提高。另有研究發(fā)現(xiàn)[25,26],液晶材料能明顯改善聚四氟乙烯的耐磨性能，而摩擦系數(shù)略有上升。在高溫下熔融的液晶聚合物具有很好的流動(dòng)性，在合金體系中沿磨損率的空隙向周?chē)w移流動(dòng)形成微纖，在合適的配比下，這些微纖相互連接，在基體內(nèi)形成致密而均勻的立體網(wǎng)絡(luò)，起到了增強(qiáng)作用，從而改善聚四氟乙烯的耐磨損性能。文獻(xiàn)27發(fā)現(xiàn)，不同的填料對(duì)聚四氟乙烯的磨損性能的影響差別很大(圖5-4),添加Pb?O?、Cu、Si?N?填料的PTFE磨損率較小，即此類(lèi)填料對(duì)耐磨性能的改善較好，材料的磨損性能主要與對(duì)偶表面的轉(zhuǎn)移膜的形態(tài)有關(guān)。巴哈杜爾等研究了CuS對(duì)PEEK摩擦磨損性能的影響，發(fā)現(xiàn)：在單獨(dú)加入CuS的條件下，隨著CuS含量的增加，雖然PEEK的摩擦系數(shù)一直呈穩(wěn)定的上升趨勢(shì)，但是PEEK的耐磨損性能提高了2~3倍。國(guó)內(nèi)有研究者對(duì)聚四氟乙烯使用稀土進(jìn)行改性處理后，基體的磨損率降低了1或2個(gè)數(shù)量級(jí)，研究證明稀土的加入具有細(xì)化晶粒和潤(rùn)滑的作用。

  概括起來(lái)說(shuō)，高分子材料的摩擦磨損行為屬于動(dòng)態(tài)的系統(tǒng)問(wèn)題，其影響因素涉及載荷、速度、溫度、表面接觸狀態(tài)、環(huán)境條件等諸多因素。高分子材料具有黏彈性特征以及不良的導(dǎo)熱性和較低的熱穩(wěn)定性，這些特性將使其摩擦磨損性能與廣泛使用的金屬材料明顯不同。另外，高分子材料的分子結(jié)構(gòu)、相對(duì)分子質(zhì)量大小、元素和官能團(tuán)排列以及填充材料組分、組合、用量比例等也會(huì)對(duì)材料摩擦磨損性能產(chǎn)生很大的影響。

1.工況條件的影響

高分子材料所涉及的工況條件主要有壓力(P,載荷)、速度(v)及工作溫度(T)等，使用壓力對(duì)其性能的影響比較明顯。表5-7給出了常用高分子材料的使用參數(shù)?？梢钥闯觯翰牧系膹?qiáng)度越高、剛性越大、摩擦副的減摩自潤(rùn)滑性能越好，摩擦副的承載能力就越大。

有研究者探索了碳纖維(CF)等無(wú)機(jī)填料增強(qiáng)的聚四氟乙烯材料在低、中、高載荷下的摩擦磨損行為：材料的摩擦系數(shù)隨載荷的增大而降低；在低、中載荷下，材料的磨損率變化不大，但在較高載荷下，其磨損率明顯增加。對(duì)不同載荷下磨損與變形的相關(guān)研究表明，在載荷達(dá)到一定極限值之前，材料一直保持相當(dāng)?shù)偷?/span>磨損率，而當(dāng)使用載荷接近或超過(guò)此極，材料呈現(xiàn)明顯的磨損。

  速度和溫度對(duì)高分子材料承載能力也有很大的影響。通常，在速度增加時(shí)，高分子材料相應(yīng)的承載能力都有不同程度的降低，這主要是由于摩擦功耗及摩擦偶件熱負(fù)荷的增大，將導(dǎo)致表面工作溫度的上升，從而造成表層材料性質(zhì)變化和摩擦潤(rùn)滑狀況的劣化所致。另外，隨著環(huán)境溫度的提高，在相同的速度、載荷條件下，摩擦副的摩擦磨損性能將顯著降低。需要指出，由于材料特性的差異，溫度對(duì)不同高分子材料的承載能力的影響規(guī)律各不相同，常溫下聚甲醛和尼龍的壓縮強(qiáng)度遠(yuǎn)大于聚四氟乙烯；但隨著溫度的升高，二者的承載能力迅速下降，喪失了在機(jī)械強(qiáng)度性能方面的優(yōu)勢(shì)。

2.增強(qiáng)組分與高分子基體的協(xié)同效應(yīng)

通常，具有減摩性的高分子材料與金屬材料配副使用時(shí)，顯示出良好的摩擦磨損行為，但是高分子材料存在著屈服強(qiáng)度低、抗蠕變、耐高溫能力差、導(dǎo)熱性不良以及熱膨脹系數(shù)大等缺陷。通過(guò)加入某些增強(qiáng)組分并通過(guò)合理的配方設(shè)計(jì)，可以改善某一方面或幾方面的性能要求。配方組分的選擇應(yīng)通過(guò)模擬試驗(yàn)確定，特別需要關(guān)注填充組分與高分子基體的復(fù)合協(xié)同作用。例如，在聚四氟乙烯中加入15%~25%的玻纖可以使耐磨性能提高100~1000倍；但是，同樣的玻纖填充到尼龍中也作為軸承材料，卻容易發(fā)生卡軸事故?？偲饋?lái)說(shuō)，不同的高分子基體、不同的環(huán)境條件、不同的潤(rùn)滑狀況，對(duì)于減摩和增強(qiáng)填充材料都有一個(gè)最佳組合的問(wèn)題。高分子基體和填充組分之間的協(xié)同效應(yīng)好，與工況條件相匹配，材料的摩擦磨損特性和綜合性能就越好。

高分子納米復(fù)合材料的摩擦學(xué)行為

自20世紀(jì)80年代開(kāi)始，人們發(fā)現(xiàn)當(dāng)材料的特征尺度降低到納米尺度時(shí)，會(huì)出現(xiàn)明顯不同于宏觀尺度下常規(guī)材料的一些全新的性質(zhì)，形成了一個(gè)全新的研究領(lǐng)域；而在摩擦學(xué)領(lǐng)域，納米材料也逐漸得到了廣泛的研究，部分成果也已經(jīng)得到應(yīng)用。

納米效應(yīng)與納米摩擦學(xué)

納米材料在電學(xué)、磁學(xué)、光學(xué)、熱學(xué)、化學(xué)和力學(xué)性能等方面表現(xiàn)出常規(guī)材料所不具備的奇異性能。主要是由于其有如下四個(gè)效應(yīng)：①表面效應(yīng)；②小尺寸效應(yīng)；③量子尺寸效應(yīng)；④宏觀量子隧道效應(yīng)。

納米摩擦學(xué)或稱(chēng)微觀摩擦學(xué)或分子摩擦學(xué)，是在原子、分子尺度上研究摩擦界面上的行為、損傷及其對(duì)策。納米摩擦學(xué)狹義上主要研究?jī)?nèi)容包括納米薄膜潤(rùn)滑和微觀摩擦磨損機(jī)理，以及表面和界面分子工程，即通過(guò)材料表面微觀改性或分子涂層，或者含在納米尺度上對(duì)摩擦表面改性和排布原子，發(fā)展表面和界面分子工程；從廣義上來(lái)說(shuō)，只要摩擦學(xué)系統(tǒng)中涉及納米級(jí)尺度的問(wèn)題都可歸屬于納米摩擦學(xué)的研究范疇。

5.6.2典型納米填料改性高分子材料的摩擦磨損性能

20世紀(jì)90年代初期，中科院蘭州化物所的科研人員較早進(jìn)行了優(yōu)良性能的高分子納米復(fù)合材料摩擦學(xué)的研究工作，考察了加入Si?N?納米顆粒的PEEK材料[34]的摩擦學(xué)性能；材料的摩擦系數(shù)隨納米顆粒含量的增加而下降，而磨損率隨納米顆粒含量的增加先下降而后上升。載荷增大后，摩擦系數(shù)和磨損率都明顯降低。進(jìn)入21世紀(jì)，聚四氟乙烯納米復(fù)合材料的摩擦學(xué)行為才有正面結(jié)果的報(bào)道，人們首先對(duì)ZnO納米顆粒改性PTFE的摩擦學(xué)性能進(jìn)行研究[35];結(jié)果表明，隨著摩擦速度的增加，改性后的PTFE的摩擦系數(shù)有所降低；隨載荷的增加，其摩擦系數(shù)明顯下降。就PI納米復(fù)合材料來(lái)說(shuō)，隨著Al?O?納米顆粒含量的提高，材料的摩擦系數(shù)和磨損失重均呈現(xiàn)先降低后增加的趨勢(shì)[36];而PI中加入納米LaF?顆粒后(37),其耐磨性的改變也存在類(lèi)似關(guān)系。

人們對(duì)高分子納米復(fù)合材料的摩擦學(xué)機(jī)理進(jìn)行了討論，認(rèn)為[34-36]:在摩擦磨損過(guò)程中，PEEK、PTFE、PI等會(huì)在對(duì)偶件表面形成一層轉(zhuǎn)移膜，納米顆粒加入后，這層轉(zhuǎn)移膜的強(qiáng)度增加，高強(qiáng)度的轉(zhuǎn)移膜使得磨損表面光滑，磨屑少，保證摩擦副具有更低的摩擦系數(shù)和磨損率；但過(guò)量納米顆粒的加入，將可能導(dǎo)致界面強(qiáng)度的降低而使磨損率升高。

其他比較典型的高分子基體材料還有環(huán)氧樹(shù)脂和尼龍等。就環(huán)氧樹(shù)脂與碳鋼配副來(lái)說(shuō)，經(jīng)Si?N?納米顆粒改性后，系統(tǒng)的摩擦系數(shù)與環(huán)氧樹(shù)脂的磨損率均明顯下降[38];存在一個(gè)Si?N?納米顆粒的合適添加比例使摩擦磨損性能，但磨損性能與摩擦性能的最佳加人量并不一致。就尼龍材料來(lái)說(shuō)，添加SiC納米顆粒后，可使尼龍66的耐磨性提高，但過(guò)量SiC納米顆粒加入(>10%),也會(huì)導(dǎo)致磨損的增加[39]。

另一方面，許多文獻(xiàn)對(duì)常規(guī)微米級(jí)填料與納米填料的協(xié)同作用進(jìn)行了探索。在石墨填充后PTFE材料，再加入納米顆粒后，材料的摩擦磨損性能有可進(jìn)一步得到改善，如有人[40]對(duì)SiO?、TiO?等納米顆粒與石墨混合填充PTFE復(fù)合材料的摩擦磨損性能進(jìn)行了研究；結(jié)果表明，由于填充材料的支承作用和石墨的潤(rùn)滑作用，形成了具有高強(qiáng)度減摩特性的轉(zhuǎn)移膜，材料的磨損性能顯著優(yōu)于單一加入納米顆粒條件下，其中以納米SiO?和石墨共同填充PTFE復(fù)合材料的磨損質(zhì)量損失最小。 ,20世紀(jì)90年代出現(xiàn)的一維納米顆粒-碳納米管對(duì)高分子材料摩擦學(xué)行為影響也有許多報(bào)道。碳納米管加入到PTFE材料中后，改變了PTFE的微觀結(jié)構(gòu)，阻礙了PTFE在摩擦過(guò)程中纖維狀結(jié)構(gòu)的大面積破壞，極大地提高了PTFE復(fù)合材料的耐磨性能并使其具有一定的自潤(rùn)滑性[41],隨著其填充量的增加，PTFE基復(fù)合材料的摩擦系數(shù)與磨損率呈下降的趨勢(shì)。當(dāng)碳納米管在PTFE基復(fù)合材料中的體積分?jǐn)?shù)為15%～20%,碳納米管/PTFE復(fù)合材料的磨損率僅為純PTFE的1/240和1/290;而含有15%～20%石墨的相應(yīng)的復(fù)合材料其磨損率只是純PTFE的1/50(見(jiàn)圖5-5)

納米填料與微米填料摩擦磨損行為的比較

用納米復(fù)合材料代替微米復(fù)合材料的有效性在許多實(shí)驗(yàn)室得到驗(yàn)證。Rong等比較了微米TiO?和納米TiO?(10nm)對(duì)環(huán)氧耐磨性的影響。研究結(jié)果表明，TiO?納米粒子能夠顯著地降低環(huán)氧的磨損率，但是微米TiO?粒子做不到。Ng等人在更早的報(bào)道中也有類(lèi)似的結(jié)論。Yu及其合作者研究了微米銅微粒以及納米銅微粒填充的聚甲醛(POM)復(fù)合材料的摩擦學(xué)性能。微米銅改性POM復(fù)合材料的磨損特征是擦傷和黏著，而納米銅的是塑性變形，因此磨耗量降低。Xue和Wang發(fā)現(xiàn)與微米SiC相比，納米SiC可以使聚醚醚酮(PEEK)的磨損率降得更低。這是因?yàn)?/span>在碳鋼環(huán)和納米SiC填充的復(fù)合材料摩擦塊的配合面上，可形成薄而均一、黏性的遷移膜。

因?yàn)榧{米填料可以賦予聚合物特殊的功能，而微米復(fù)合材料做不到這些，所以納米復(fù)合材料成為耐磨材料和潤(rùn)滑材料家族的重要一員。這是一個(gè)既有理論意義又有實(shí)際意義的課題。要作為摩擦學(xué)應(yīng)用材料，高分子納米復(fù)合材料必須同時(shí)滿(mǎn)足4個(gè)相互關(guān)聯(lián)的條件：組分選擇、低成本工藝、制造和性能。人們對(duì)這幾方面及其之間的相互依賴(lài)性的認(rèn)識(shí)還處于初級(jí)階段，并不了解。但是，復(fù)合材料的最終應(yīng)用要求將催生出許多新的觀點(diǎn)和看法。