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碳纤 维 增 强 聚 四氟乙烯复合材料的摩擦学行为研究
来源：镇江润方密封件有限公司 时间：2015-12-03
关键字: 碳纤 维 增 强 聚 四氟乙烯复合材料的摩擦学行为研究
碳纤 维 增 强 聚 四氟乙烯复合材料的摩擦学行为研究’
贾均 红 ， 周 惠 娣 ， 闰逢 元 ， 陈 建 敏
(中 国科 学 院 兰 州 化 学物 理 研 究 所 固体 润滑国家重点实脸室，甘南 兰州730000)
摘要:对比考察了碳纤维增强PTFE复合材料在千摩擦和水润滑下的摩擦磨损性能，考察了其磨损机理.结果表明
水润滑下碳纤维增强PTFE复合材料的摩擦系数和磨损率均明显比干摩擦下的低;复合材料磨损表面可见明显的裸礴
纤维及纤维被局部磨平，没有明显的微观裂纹，基体和纤维结合较好，沿纤维边缘有偶件铁的转移.干摩擦下，磨
痕表面有大量的微观断裂裂纹，纤维发生断裂和破碎，主要呈现粘着磨损和疲劳磨损特征.
关键词:聚四氟乙烯:碳纤维;水润滑;摩擦学行为
多数 纤 维 具有很高的强度和刚度以及良好的导热性，可以改善聚合物的摩擦磨损特性，并提高
其机械性能和使用寿命。20世纪90年代以来国内外研究者广泛开展了纤维增强聚合物材料的摩擦
学性能研究1-s1。由于基体磨损显露出的纤维(尤以碳纤维为代表)支撑了摩擦接触面之间的大部分
载荷，且有助于聚合物向偶件表面转移，形成连续、均匀且同偶件表面结合良好的转移膜，因此纤
维增强可提高复合材料的综合性能。
针对 以 水 代替矿物油为传递介质的水基液压传动技术，与其密切相关的水环境条件下的传动元
件材料的设计以及与此相关的摩擦、磨损和密封技术的研究已成为关注的热点161。而具自润滑性的
碳纤维增强PTFE复合材料在水环境条件下的摩擦学研究报道尚少。本文报道碳纤维增强PTFE在水
中的摩擦磨损性能及同干摩擦条件下的摩擦学特性对比，并初步探讨了其磨损机理。
1.实验部分
1.1复合材料的制备
PTF E 粉末 为上海电化厂悬浮法生产的一级品，分子量为2.5-10'，粉末粒度为20-1001i m，抗拉强
度大于20 MPa，伸长率大于260%。本文选用的碳纤维为长约为100 pin的短纤维，直径为4-5 pm,
拉伸强度大于2.OGPa< PTFE模塑粉经严格烘干后过100目标准筛。将各填料按体积比25%进行充分
机械混合，并在模具内冷压，在50 MPa压力下保压2min,然后在空气中自由烧结成型，烧结温度375
℃，保温60min:经切削、打磨制成尺寸为13 mmx7 mmx6 mm的试块备用。
1.2试验条件及分析方法
在 MM - 200型试验机上评价复合材料的摩擦磨损性能，下试样采用1Crl8Ni9Ti不锈钢试环，
外径为50 mm，对应试验机高速(400 r/min)时线速度为1.07 m/s，低速(200 r/min)为0.54 m/s.
试验负荷:15-1000 N。试样接触形式先为线接触，并逐渐转为弧面接触，试样和偶件环试验前均用
900"水砂纸打磨，并用丙酮超声清洗，表面粗糙度Ra为0.08-0.18Pm。采用蒸馏水润滑，以没分钟
65-70滴的速度滴注到摩擦副接触表面，试验时间120 min。用读数显微镜测量磨痕宽度并换算成磨
损率，摩擦系数和磨损率的计算公式如式(1和2)所示:
M
R .N
(1)
式中:v为摩擦系数;M为摩擦力矩困二):R为偶件试环半径(mm); N为法向载荷(N)o
4.67 xbx [R- (k -b' 14)l
Lx N
式中:。为磨损率(mm3/N-m); b为磨痕宽度
(2)
(mm); R为偶件试环半径(mm); L为滑动距离(m);
.国家自然科学基金资助(59925513);浙江大学流体传动及控制国家盆点实胜室开放课月(9905)和中国科学院国防创断签金资助.
战g
不七石金.礴路毋大含论立岛釜州2002年a月
N为垂直载荷(N)。
摩擦磨损试验结束后，将复合材料试样经表面喷金，然后用扫描电子显微镜(SEM)及X射线能量
色散谱仪(EDS)对磨痕进行表征分析。
2.结果与讨论
2.1碳纤维增强PTFE摩攘魔损性能
表 1给 出 了碳纤维增强PTFE、石墨填充PTFE及非填充PTFE在大气和水润滑条件下的稳态摩
擦系数和磨损率。可以看出，无论在干摩擦下还是在水润滑下，石墨都起到了很好的减摩作用，石
墨填充PTFE的摩擦系数最低。3种材料在水润滑下的摩擦系数明显比干摩擦下的低。尽管碳纤维增
强PTFE在水润滑下的摩擦系数较高，但其稳定摩擦系数也仅为0.069。因此可以认为，水起到了良
好的润滑作用。碳纤维增强PTFE无论是在干摩擦还是水润滑下的磨损率都最低，这可能是由于碳
纤维具有高的强度和良好的导热性能，提高了PTFE的机械强度，从而改善了PTFE的摩擦磨损性能，
而水起到了润滑和冷却作用，减少了摩擦，降低了摩擦表面温升，从而减少了碳纤维增强PTFE复
合材料的摩擦热所导致的塑性变形和粘着磨损。为了进一步探讨碳纤维在水润滑下的作用机理，对
复合材料磨损表面进行了显微分析。
Ta ble l F r icti on c o ef ficienta ndw earar teo fP TFEc ompositesin a ira ndw ater(2 00N,1. 07m/s)
表1 PTFE复合材料在大气和水润滑下的序挤系数和磨损串(200N,1. 07m /s)
Composites
Dry friction Water lubrication
Friction coefficient
W ea rar te
/10'smms(N,m)-}
Friction coefficient
W ea rr ate
/10'sttun3即m)，
PTFE 0.2 39.66 0.04 13.92
PTFE+Gr. 0.12 12.2 0.02 3.14
PTFE+C.F. 0.2 9.19 0.069 2.58
2.2碳纤维增强PTFE磨损表面显徽分析
据文 献 报 道I3-sl，纤维增强聚合物的磨损过程呈周期性，磨损初期，基体相因耐磨性较低而被优
先磨掉，这时显露出的纤维支撑了接触面间的部分载荷，纤维因磨损逐渐变细;由于失去了基体的
支撑和保护，纤维最终断裂脱落，磨损面又接近于磨损初期，当磨粒压入表面一定深度时，次表面
层产生裂纹源，裂纹扩展到表面，并断裂而产生磨屑。此时，复合材料的微观磨损机制可以分为基
(a)D ry sliding( 1000x) (b)Wsterlu bri.(1 000x)
Fig.1 SEM morphologyo fw orns urfaceo fca rbonf iberr einforcedP TFEc omposites
图 1 碳纤 堆 增 强 P TFE复合材料的磨损表面形貌SEM照片。
月 r
浮七石合日序路，大合枪直岛世州2002年.月
体磨损、纤维的滑动磨损、纤维的断裂及纤维淇体脱粘形成磨粒等4种形式。图1给出了碳纤维增
强PTFE复合材料的磨损表面形貌SEM照片，可以看出干摩擦下复合材料的磨痕表面有明显的纤维
露出，这些纤维不仅阻止了PTFE带状结构的大面积破坏而且还有一定的承载能力，因而提高了复
合材料的耐磨性。同时可见，磨损表面有大量的微观断裂裂纹，复合材料中纤维发生断裂和破碎，
局部表面被磨平，主要表现为粘着磨损和疲劳磨损特征。这与文献结论基本一致。
而在 水 润 滑条件下，复合材料磨损表面比较平整，有明显的纤维露出及纤维局部磨平，没有明
显的微观裂纹.基体和纤维结合较好，EDS分析表明沿纤维边缘有偶件铁的转移。图2给出了2种
条件下不锈钢偶件磨损表面SEM形貌照片。可见干摩擦下偶件磨损表面存在明显的擦伤和犁沟痕迹;
而水润滑下偶件磨损表面较为光滑，仅存在微弱的切削痕迹。可以认为，碳纤维不易被水润湿，而基
体PTFE同样具有疏水性，因而水不易渗透纤维/基体表面而导致界面脱粘。露出的纤维与偶件不锈
钢摩擦时，起“刮削”作用而抛光偶件，在干摩擦下纤维的刮削作用较强，因而导致偶件磨损表面
产生明显的擦伤;而在水润滑下，由于边界润滑水膜的形成，纤维的擦伤作用减弱，同时由于水的
冷却作用，大大降低了摩擦热的作用，使复合材料不易在摩擦力方向产生变形和塑性流动，抑制了
粘着磨损，从而降低了摩擦系数及磨损率。
(a) Original
(b) Dry sliding (c) Water lubri.
Fig.2S EM morphologyo fw orns urfaceo fst eelco unterface
圈 2 不份 俐 们 件启损表面形貌SEM抓片
3.结论
a. 在 水 润滑条件下，碳纤维增强PTFE复合材料和石墨填充PTFE复合材料的摩擦系数和磨损
率均明显比干摩擦下的低。
b 在 水 润滑条件下，复合材料的磨损表面光滑，没有明显的微观裂纹，基体和纤维结合较好，
纤维被局部磨平;干摩擦下，碳纤维增强PTFE主要呈现粘着磨损和疲劳磨损特征。
c. 在 水 润滑条件下，磨损露出的纤维起 “刮削”作用而抛光偶件，可能形成了边界润滑水膜:
由于水的冷却作用，抑制了摩擦热的作用，并减轻了粘着磨损，从而使得复合材料表现出较好的耐
磨性。
S7o
郊七‘全二路，大合论止岛世州2002年e刀
参考文献:
川WANG Junxiang(王军祥)，GES hining葛世荣).Th eP rogressof St udyo fC arbonR einforcedP olymerco mposites(纤
维增 强 聚 合物复合材料的雄擦学研究进展)[J].Tr ibology摩擦学学报)，2000,2 0(1):76-80.
[2]BuhadurS ,T hee fecto fre inforcementan dth es ynergismb etweenC uSa ndc arbonf ibero nth ew earo fn ylon[ J].W ear,
199 4 ,1 78:123-130.
[3] ZHAO Weiyan良伟用，Ll Yan(李岩)，et al. The Friction and Wear Behavior of Polyethersulfone Composites
Rei nfo rce dw ithC arbonF iber碳纤维增强聚醚碱复合材料的摩擦磨损性能研究)[J].Tr ibology(14 擦学学报),2000,
20 ( 6 ):4 2 1-425.
[4]S. Bahadur, Y Zhang, Mechanical and Tribological behaviour of polyester reinforced with short glass fibers [1]. Wear,
19 90 ,1 37:2 51-266.
[5] S. Bahadur, V K. Polineni, Tribological studies of glass fabric- reinforced polyamide composites filled with CuO arid
PT FE [ J ].W ear,19 96,20 0:95 -104.
[6]JIA l unhong,(贾均红)，ZHOUH uidi(1gi惠娣)，CHENJ ianmin(陈建敏).Developmentsit uationof th est udyof po lymer
and c e ram icU nderw aterlu bricatedc ondition(聚合物及陶瓷材料在水介质中的摩擦学发展现状)[1].L ubrication
Eng in err ing润滑与密封).2001,3 :6 3-67
切
贾均 红 ， 周 惠 娣 ， 闰逢 元 ， 陈 建 敏
(中 国科 学 院 兰 州 化 学物 理 研 究 所 固体 润滑国家重点实脸室，甘南 兰州730000)
摘要:对比考察了碳纤维增强PTFE复合材料在千摩擦和水润滑下的摩擦磨损性能，考察了其磨损机理.结果表明
水润滑下碳纤维增强PTFE复合材料的摩擦系数和磨损率均明显比干摩擦下的低;复合材料磨损表面可见明显的裸礴
纤维及纤维被局部磨平，没有明显的微观裂纹，基体和纤维结合较好，沿纤维边缘有偶件铁的转移.干摩擦下，磨
痕表面有大量的微观断裂裂纹，纤维发生断裂和破碎，主要呈现粘着磨损和疲劳磨损特征.
关键词:聚四氟乙烯:碳纤维;水润滑;摩擦学行为
多数 纤 维 具有很高的强度和刚度以及良好的导热性，可以改善聚合物的摩擦磨损特性，并提高
其机械性能和使用寿命。20世纪90年代以来国内外研究者广泛开展了纤维增强聚合物材料的摩擦
学性能研究1-s1。由于基体磨损显露出的纤维(尤以碳纤维为代表)支撑了摩擦接触面之间的大部分
载荷，且有助于聚合物向偶件表面转移，形成连续、均匀且同偶件表面结合良好的转移膜，因此纤
维增强可提高复合材料的综合性能。
针对 以 水 代替矿物油为传递介质的水基液压传动技术，与其密切相关的水环境条件下的传动元
件材料的设计以及与此相关的摩擦、磨损和密封技术的研究已成为关注的热点161。而具自润滑性的
碳纤维增强PTFE复合材料在水环境条件下的摩擦学研究报道尚少。本文报道碳纤维增强PTFE在水
中的摩擦磨损性能及同干摩擦条件下的摩擦学特性对比，并初步探讨了其磨损机理。
1.实验部分
1.1复合材料的制备
PTF E 粉末 为上海电化厂悬浮法生产的一级品，分子量为2.5-10'，粉末粒度为20-1001i m，抗拉强
度大于20 MPa，伸长率大于260%。本文选用的碳纤维为长约为100 pin的短纤维，直径为4-5 pm,
拉伸强度大于2.OGPa< PTFE模塑粉经严格烘干后过100目标准筛。将各填料按体积比25%进行充分
机械混合，并在模具内冷压，在50 MPa压力下保压2min,然后在空气中自由烧结成型，烧结温度375
℃，保温60min:经切削、打磨制成尺寸为13 mmx7 mmx6 mm的试块备用。
1.2试验条件及分析方法
在 MM - 200型试验机上评价复合材料的摩擦磨损性能，下试样采用1Crl8Ni9Ti不锈钢试环，
外径为50 mm，对应试验机高速(400 r/min)时线速度为1.07 m/s，低速(200 r/min)为0.54 m/s.
试验负荷:15-1000 N。试样接触形式先为线接触，并逐渐转为弧面接触，试样和偶件环试验前均用
900"水砂纸打磨，并用丙酮超声清洗，表面粗糙度Ra为0.08-0.18Pm。采用蒸馏水润滑，以没分钟
65-70滴的速度滴注到摩擦副接触表面，试验时间120 min。用读数显微镜测量磨痕宽度并换算成磨
损率，摩擦系数和磨损率的计算公式如式(1和2)所示:
M
R .N
(1)
式中:v为摩擦系数;M为摩擦力矩困二):R为偶件试环半径(mm); N为法向载荷(N)o
4.67 xbx [R- (k -b' 14)l
Lx N
式中:。为磨损率(mm3/N-m); b为磨痕宽度
(2)
(mm); R为偶件试环半径(mm); L为滑动距离(m);
.国家自然科学基金资助(59925513);浙江大学流体传动及控制国家盆点实胜室开放课月(9905)和中国科学院国防创断签金资助.
战g
不七石金.礴路毋大含论立岛釜州2002年a月
N为垂直载荷(N)。
摩擦磨损试验结束后，将复合材料试样经表面喷金，然后用扫描电子显微镜(SEM)及X射线能量
色散谱仪(EDS)对磨痕进行表征分析。
2.结果与讨论
2.1碳纤维增强PTFE摩攘魔损性能
表 1给 出 了碳纤维增强PTFE、石墨填充PTFE及非填充PTFE在大气和水润滑条件下的稳态摩
擦系数和磨损率。可以看出，无论在干摩擦下还是在水润滑下，石墨都起到了很好的减摩作用，石
墨填充PTFE的摩擦系数最低。3种材料在水润滑下的摩擦系数明显比干摩擦下的低。尽管碳纤维增
强PTFE在水润滑下的摩擦系数较高，但其稳定摩擦系数也仅为0.069。因此可以认为，水起到了良
好的润滑作用。碳纤维增强PTFE无论是在干摩擦还是水润滑下的磨损率都最低，这可能是由于碳
纤维具有高的强度和良好的导热性能，提高了PTFE的机械强度，从而改善了PTFE的摩擦磨损性能，
而水起到了润滑和冷却作用，减少了摩擦，降低了摩擦表面温升，从而减少了碳纤维增强PTFE复
合材料的摩擦热所导致的塑性变形和粘着磨损。为了进一步探讨碳纤维在水润滑下的作用机理，对
复合材料磨损表面进行了显微分析。
Ta ble l F r icti on c o ef ficienta ndw earar teo fP TFEc ompositesin a ira ndw ater(2 00N,1. 07m/s)
表1 PTFE复合材料在大气和水润滑下的序挤系数和磨损串(200N,1. 07m /s)
Composites
Dry friction Water lubrication
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/10'smms(N,m)-}
Friction coefficient
W ea rr ate
/10'sttun3即m)，
PTFE 0.2 39.66 0.04 13.92
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PTFE+C.F. 0.2 9.19 0.069 2.58
2.2碳纤维增强PTFE磨损表面显徽分析
据文 献 报 道I3-sl，纤维增强聚合物的磨损过程呈周期性，磨损初期，基体相因耐磨性较低而被优
先磨掉，这时显露出的纤维支撑了接触面间的部分载荷，纤维因磨损逐渐变细;由于失去了基体的
支撑和保护，纤维最终断裂脱落，磨损面又接近于磨损初期，当磨粒压入表面一定深度时，次表面
层产生裂纹源，裂纹扩展到表面，并断裂而产生磨屑。此时，复合材料的微观磨损机制可以分为基
(a)D ry sliding( 1000x) (b)Wsterlu bri.(1 000x)
Fig.1 SEM morphologyo fw orns urfaceo fca rbonf iberr einforcedP TFEc omposites
图 1 碳纤 堆 增 强 P TFE复合材料的磨损表面形貌SEM照片。
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浮七石合日序路，大合枪直岛世州2002年.月
体磨损、纤维的滑动磨损、纤维的断裂及纤维淇体脱粘形成磨粒等4种形式。图1给出了碳纤维增
强PTFE复合材料的磨损表面形貌SEM照片，可以看出干摩擦下复合材料的磨痕表面有明显的纤维
露出，这些纤维不仅阻止了PTFE带状结构的大面积破坏而且还有一定的承载能力，因而提高了复
合材料的耐磨性。同时可见，磨损表面有大量的微观断裂裂纹，复合材料中纤维发生断裂和破碎，
局部表面被磨平，主要表现为粘着磨损和疲劳磨损特征。这与文献结论基本一致。
而在 水 润 滑条件下，复合材料磨损表面比较平整，有明显的纤维露出及纤维局部磨平，没有明
显的微观裂纹.基体和纤维结合较好，EDS分析表明沿纤维边缘有偶件铁的转移。图2给出了2种
条件下不锈钢偶件磨损表面SEM形貌照片。可见干摩擦下偶件磨损表面存在明显的擦伤和犁沟痕迹;
而水润滑下偶件磨损表面较为光滑，仅存在微弱的切削痕迹。可以认为，碳纤维不易被水润湿，而基
体PTFE同样具有疏水性，因而水不易渗透纤维/基体表面而导致界面脱粘。露出的纤维与偶件不锈
钢摩擦时，起“刮削”作用而抛光偶件，在干摩擦下纤维的刮削作用较强，因而导致偶件磨损表面
产生明显的擦伤;而在水润滑下，由于边界润滑水膜的形成，纤维的擦伤作用减弱，同时由于水的
冷却作用，大大降低了摩擦热的作用，使复合材料不易在摩擦力方向产生变形和塑性流动，抑制了
粘着磨损，从而降低了摩擦系数及磨损率。
(a) Original
(b) Dry sliding (c) Water lubri.
Fig.2S EM morphologyo fw orns urfaceo fst eelco unterface
圈 2 不份 俐 们 件启损表面形貌SEM抓片
3.结论
a. 在 水 润滑条件下，碳纤维增强PTFE复合材料和石墨填充PTFE复合材料的摩擦系数和磨损
率均明显比干摩擦下的低。
b 在 水 润滑条件下，复合材料的磨损表面光滑，没有明显的微观裂纹，基体和纤维结合较好，
纤维被局部磨平;干摩擦下，碳纤维增强PTFE主要呈现粘着磨损和疲劳磨损特征。
c. 在 水 润滑条件下，磨损露出的纤维起 “刮削”作用而抛光偶件，可能形成了边界润滑水膜:
由于水的冷却作用，抑制了摩擦热的作用，并减轻了粘着磨损，从而使得复合材料表现出较好的耐
磨性。
S7o
郊七‘全二路，大合论止岛世州2002年e刀
参考文献:
川WANG Junxiang(王军祥)，GES hining葛世荣).Th eP rogressof St udyo fC arbonR einforcedP olymerco mposites(纤
维增 强 聚 合物复合材料的雄擦学研究进展)[J].Tr ibology摩擦学学报)，2000,2 0(1):76-80.
[2]BuhadurS ,T hee fecto fre inforcementan dth es ynergismb etweenC uSa ndc arbonf ibero nth ew earo fn ylon[ J].W ear,
199 4 ,1 78:123-130.
[3] ZHAO Weiyan良伟用，Ll Yan(李岩)，et al. The Friction and Wear Behavior of Polyethersulfone Composites
Rei nfo rce dw ithC arbonF iber碳纤维增强聚醚碱复合材料的摩擦磨损性能研究)[J].Tr ibology(14 擦学学报),2000,
20 ( 6 ):4 2 1-425.
[4]S. Bahadur, Y Zhang, Mechanical and Tribological behaviour of polyester reinforced with short glass fibers [1]. Wear,
19 90 ,1 37:2 51-266.
[5] S. Bahadur, V K. Polineni, Tribological studies of glass fabric- reinforced polyamide composites filled with CuO arid
PT FE [ J ].W ear,19 96,20 0:95 -104.
[6]JIA l unhong,(贾均红)，ZHOUH uidi(1gi惠娣)，CHENJ ianmin(陈建敏).Developmentsit uationof th est udyof po lymer
and c e ram icU nderw aterlu bricatedc ondition(聚合物及陶瓷材料在水介质中的摩擦学发展现状)[1].L ubrication
Eng in err ing润滑与密封).2001,3 :6 3-67
切
582890942