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碳纤维填充聚四氟乙烯的性能及应用
来源：镇江润方密封件有限公司 时间：2015-12-03
关键字: 镇江润方密封件有限公司
碳纤维填充聚四氟乙烯的性能及应用
师延龄王文东
(上海材料研究所)
摘要：ak文介绍了碳纤维对其填充聚四氟乙烯复合材料的物理机械性能、摩擦磨损性能的影响，简要介绍了该复合材
料在液压气动密封等方面的应用。
关键词：聚四氟乙烯；碳纤维；摩擦；磨损
聚四氟乙烯(PTFE)具有极高的分子量(8．8×
10 一3．2×10 )，为高结晶度的热塑性塑料，由于其
分子结构中存在较强的F—C键，使其有摩擦系数
低，化学稳定性及热稳定性好等优点，因此它在各
行各业中得到了广泛应用。然而纯聚四氟乙烯却不
耐磨，力学性能欠佳，易蠕变，填充聚四氟乙烯复合
材料改善聚四氟乙烯性能，虽然摩擦系数略有提高，
但耐磨性能大幅度提高，参见表1。作为密封材料
主要填充碳纤维、玻璃纤维、锡青铜粉、石墨、二硫化
钼、聚苯、聚酰亚胺等¨ 】，其中填充碳纤维是一种
应用比较广泛的填充材料，碳纤维的填充量对其填
充PTFE复合材料的性能有一定的影响，试验和实
际应用证明：碳纤维可改善PTFE复合材料物理性
能、力学性能、耐磨损性能。可广泛用于液压油缸、
气缸密封元件，流体传动机械等行业。
1 实验部分
1．1 材料
PTFE细粉：L—S一02，优级品，平均粒径
25 ，济南三爱富有限公司；
碳纤维：单丝直径71．cm，长度200—300jxm ，拉
伸强度3．1GPa，弹性模量220GPa，上海英嘉特种纤
维有限公司；
胶体石墨：1撑，平均粒径4g,rn，上海胶体化工厂。
1．2 仪器与设备
压力机：YXC一50(D)，上海西玛伟力橡塑机械
有限公司；
高温烧结炉-DL1151，上海试验仪器总厂；
拉力试验机：INSTRON一1195，英国INSTRON
公司；
摩擦磨损试验机．-MM一200，济南试验仪器总厂。
1．3 试样制备
(1)试样各组配比：参见表2
(2)试样制备
将各种原料称量，用机械共混和冷压成形烧结
的方法，制备不同配方碳纤维填充 FE复合材料。
1．4 实验条件
负荷200N，线速度0．41m／s，时间2h，对磨件：45#
钢，表面硬度40~45HRC，表面粗糙度Ra 0．4g,rn。
表1 填充聚四氟乙烯摩擦性能
填充剂纯 碳纤 5麓 青铜6。 墨
2 结果与讨论
2．1 PTFE复合材料力学性能
从表3可以看出，随着碳纤维填充量增加，拉伸强
度、伸长率下降，硬度、抗压强度增大，因为碳纤维的存
在，使PTFE复合材料高分子聚态结构产生局部缺陷，
导致分子链缠结重排受阻，结晶度下降，分子间力受到
削弱。随着碳纤维填充量的增加，使得PTFE复合材料
高分子间作用力进一步削弱，碳纤维引起的应力集中
点越多，PTFE与碳纤维微观界面薄弱点随之增加，在
外力作用下，高分子链容易与碳纤维产生相对滑移，故
而拉伸强度、伸长率降低。碳纤维并用石墨填充PTFE
复合材料的强度、伸长率有同样的趋势。碳纤维粒子
刚硬，优先承载能力强，所以碳纤维填充量越大，PTFE
复合材料硬度、抗压强度随之增大。
作者简介：师延龄，女，工程师，主要从事高分子复合材料研究，材料检测信息。
维普资讯 http://www.cqvip.com
有机氟工业
· 24· Organo—Fluorine Industry 2005年第3期
表4 复合材料试验后摩擦面情况
配方编号 摩擦面试验后外观情况
1，2，3
4，5，8
6，7，9
转移物较少，表面光亮，磨损小
转移物一般，表面光亮，磨损小
转移物适中，表面光亮，磨损小
表5 不同速度下复合材料摩擦性能
表6 不同负荷下复合材料摩擦性能
负荷(N) 98 196 294 392
0．18
7．32
490
0．18
8．55
摩擦系数( ) 0．18 0．17 0．18
磨痕宽度(mm) 4．57 5．14 6．60
2．2 IXITE复合材料摩擦磨损性能
(1)FIFE复合材料摩擦性能
从表3可知，碳纤维的填充量对PTFE复合材
料的摩擦系数影响不太明显，随着碳纤维填充量增
加和少量石墨的存在，使PTFE复合材料的摩擦系
数略有减小。这是因为填充 FE复合材料的摩擦
系数由材料的表面特性所决定，复合材料由低摩擦
系数的IyIFE基体和露出基体的摩擦系数略高的碳
纤维填料组成，材料的摩擦系数由这两种材料在摩
擦面上所占的面积比例决定 。由于碳纤维的摩
擦系数较小，不会因为碳纤维的存在改变摩擦面的
组成而太多影响复合材料的摩擦系数，碳纤维在摩
擦面上的存在，弥补了摩擦面上的微观不平点，少量
石墨的存在，有助于在对偶件表面上形成稳定连续
的转移膜，所以随着碳纤维填充量的增加和少量石
墨的存在，PTFE复合材料的摩擦系数略有减小。
在油润滑条件下，碳纤维的填充量对PTFE复
合材料的摩擦系数影响不明显。
(2)PTFE复合材料磨损性能
从表3可知，P1 复合材料磨痕宽度，随着碳
纤维的填充量增大而减小。文献报道：硬质填料对
FE抗磨能力改善主要机理是对负荷的优先承载
作用 ；F1TE中的纤维可以优先承受载荷而减少
复合材料的磨损，纤维状填料的承载作用比粒状填
料大得多 。按此机理：碳纤维在摩擦面上有一定
分布比例，复合材料的摩擦性能与摩擦面上材料的
分布情况有关。
随着碳纤维填充量的增加，碳纤维在摩擦面相
对分布比例大，承载能力较大，并能将摩擦面上压应
力和剪应力传递到基体内部而不至于表面层应力集
中。对偶件相互摩擦时，均匀分布的碳纤维阻止金
维普资讯 http://www.cqvip.com
2005年第3期 师延龄等·碳纤维填充聚四氟乙烯的性能及应用 。25·
属凸峰深入PTFE表面，刨削深度较小，碳纤维的存
在阻止了摩擦面上P1rFE带状结构的大片破坏，防
止了转移膜破坏。石墨的特性决定了石墨的存在，
转移膜容易自修复，转移膜可以保持动态平衡，利于
形成连续、稳定的转移膜。从表4可知，试验后摩擦
面上外观情况说明了这一点。碳纤维复合材料微观
界面特性良好，碳纤维表面特性和分散度阻碍较大
磨损粒子生成，材料导热性较好，摩擦热易排除，利
于进一步提高耐磨性，所以其磨痕宽度较窄，磨损量
较低。
在油润滑条件下，碳纤维填充PTFE复合材料
利于形成稳定连续油膜，油膜厚度适宜，其抗磨损性
能较好。由于油膜的存在，在碳纤维正常填充量范
围内，随着碳纤维填充量增加，复合材料抗磨损性能
略有提高。
(3)速度对PTFE复合材料的摩擦学性能影响
从表5可知，对于碳纤维填充PTFE复合材料，
运动速度增加，摩擦系数和磨痕宽度随之增大。这
是因为随着速度的提高，转移膜难以维持动态平衡，
在摩擦面上不利于形成稳定连续的转移膜，而且转
移膜容易破坏，摩擦生热加大，热量不能及时排除；
复合材料形变增大，蠕变加剧，导致PTFE复合材料
摩擦系数增大，磨损加剧。
(4)负荷对PTFE复合材料的摩擦学性能影响
从表6可知，在中低运动速度下，随着负荷的增
加，碳纤维填充PTFE复合材料的摩擦系数变化不
大，磨痕宽度却明显加大。这是因为在材料的极限
PV值范围内，材料的摩擦系数取决于材料在摩擦面
上的分布特性，所以PTFE复合材料的摩擦系数与
负荷关系不大。随着负荷的增加，在摩擦面上金属
凸峰与PTFE复合材料的接触压应力和剪应力加
大，金属凸峰深入PTFE表面，刨削深度增加，引起
了摩擦面上triTE带状结构的大片破坏，导致转移
膜破碎，磨损量增加。
3 结论
(1)碳纤维对VrFE复合材料力学性能有一定
影响，碳纤维填充量增加，其拉伸强度、伸长率有所
下降。
(2)碳纤维对PTFE复合材料摩擦磨损性能有
一定影响，随着碳纤维填充量的增加，摩擦系数略
有减小，磨痕宽度下降，少量石墨的存在，有利于提
高材料的耐磨性能。
(3)采用碳纤维一石墨填充PTFE复合材料，碳
纤维填充量15％左右、石墨填充量3％ ～5％生产的
复合材料，用于制作组合密封件、导向支撑环等，在
往复和旋转工况下使用，尤其在水润滑的条件下优
于其他VI'FE复合材料。制品的综合性能良好，抗
磨损性能优良，寿命长。
参考文献
1 朱圣东，等．无油润滑压缩机[M]．北京：机械工业出版
社，2000，12：28～64．
2 袁荣根．填充聚四氟乙烯摩擦磨损特性[J]．有机氟工业，
1998(2)：15．
3 黄祥瑞．氟塑料自润滑材料[J]．有机氟工业，2000(1)．
4 王晓波，等．SiO 填充聚四氟乙烯复合材料的摩擦学行为
研究[J]．润滑与密封，2002(11)：48．
5 石淼森．固体润滑材料[M]．北京：化学工业出版社，
2000，9：178～201．
6 Tanaka k．，Kawakamis．Efect of various frUers on the friction
and Wear of trITE—based composites[J]．wear，1982，
79：221～234．
7 BahadurS．，TaborD．．The wear of filled VITE[J]．Wear，
1984，98：1～13．
Properties and Application of PTFE Filled with Carbon Fiber
Shi Yanling Wang Wendong
(Shanghai Research Institute of Materials)
Abstract：The physical&mechanical properties、friction&wear properties of polytetrafluoroethylene(P1rFE)
filled with carbon fiber are introduced in detail．its applications in hydraulic and pneumatics seal are presented．
Keywords：Polytetralluoroethylene；Carbon fiber；Friction；Wear
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师延龄王文东
(上海材料研究所)
摘要：ak文介绍了碳纤维对其填充聚四氟乙烯复合材料的物理机械性能、摩擦磨损性能的影响，简要介绍了该复合材
料在液压气动密封等方面的应用。
关键词：聚四氟乙烯；碳纤维；摩擦；磨损
聚四氟乙烯(PTFE)具有极高的分子量(8．8×
10 一3．2×10 )，为高结晶度的热塑性塑料，由于其
分子结构中存在较强的F—C键，使其有摩擦系数
低，化学稳定性及热稳定性好等优点，因此它在各
行各业中得到了广泛应用。然而纯聚四氟乙烯却不
耐磨，力学性能欠佳，易蠕变，填充聚四氟乙烯复合
材料改善聚四氟乙烯性能，虽然摩擦系数略有提高，
但耐磨性能大幅度提高，参见表1。作为密封材料
主要填充碳纤维、玻璃纤维、锡青铜粉、石墨、二硫化
钼、聚苯、聚酰亚胺等¨ 】，其中填充碳纤维是一种
应用比较广泛的填充材料，碳纤维的填充量对其填
充PTFE复合材料的性能有一定的影响，试验和实
际应用证明：碳纤维可改善PTFE复合材料物理性
能、力学性能、耐磨损性能。可广泛用于液压油缸、
气缸密封元件，流体传动机械等行业。
1 实验部分
1．1 材料
PTFE细粉：L—S一02，优级品，平均粒径
25 ，济南三爱富有限公司；
碳纤维：单丝直径71．cm，长度200—300jxm ，拉
伸强度3．1GPa，弹性模量220GPa，上海英嘉特种纤
维有限公司；
胶体石墨：1撑，平均粒径4g,rn，上海胶体化工厂。
1．2 仪器与设备
压力机：YXC一50(D)，上海西玛伟力橡塑机械
有限公司；
高温烧结炉-DL1151，上海试验仪器总厂；
拉力试验机：INSTRON一1195，英国INSTRON
公司；
摩擦磨损试验机．-MM一200，济南试验仪器总厂。
1．3 试样制备
(1)试样各组配比：参见表2
(2)试样制备
将各种原料称量，用机械共混和冷压成形烧结
的方法，制备不同配方碳纤维填充 FE复合材料。
1．4 实验条件
负荷200N，线速度0．41m／s，时间2h，对磨件：45#
钢，表面硬度40~45HRC，表面粗糙度Ra 0．4g,rn。
表1 填充聚四氟乙烯摩擦性能
填充剂纯 碳纤 5麓 青铜6。 墨
2 结果与讨论
2．1 PTFE复合材料力学性能
从表3可以看出，随着碳纤维填充量增加，拉伸强
度、伸长率下降，硬度、抗压强度增大，因为碳纤维的存
在，使PTFE复合材料高分子聚态结构产生局部缺陷，
导致分子链缠结重排受阻，结晶度下降，分子间力受到
削弱。随着碳纤维填充量的增加，使得PTFE复合材料
高分子间作用力进一步削弱，碳纤维引起的应力集中
点越多，PTFE与碳纤维微观界面薄弱点随之增加，在
外力作用下，高分子链容易与碳纤维产生相对滑移，故
而拉伸强度、伸长率降低。碳纤维并用石墨填充PTFE
复合材料的强度、伸长率有同样的趋势。碳纤维粒子
刚硬，优先承载能力强，所以碳纤维填充量越大，PTFE
复合材料硬度、抗压强度随之增大。
作者简介：师延龄，女，工程师，主要从事高分子复合材料研究，材料检测信息。
维普资讯 http://www.cqvip.com
有机氟工业
· 24· Organo—Fluorine Industry 2005年第3期
表4 复合材料试验后摩擦面情况
配方编号 摩擦面试验后外观情况
1，2，3
4，5，8
6，7，9
转移物较少，表面光亮，磨损小
转移物一般，表面光亮，磨损小
转移物适中，表面光亮，磨损小
表5 不同速度下复合材料摩擦性能
表6 不同负荷下复合材料摩擦性能
负荷(N) 98 196 294 392
0．18
7．32
490
0．18
8．55
摩擦系数( ) 0．18 0．17 0．18
磨痕宽度(mm) 4．57 5．14 6．60
2．2 IXITE复合材料摩擦磨损性能
(1)FIFE复合材料摩擦性能
从表3可知，碳纤维的填充量对PTFE复合材
料的摩擦系数影响不太明显，随着碳纤维填充量增
加和少量石墨的存在，使PTFE复合材料的摩擦系
数略有减小。这是因为填充 FE复合材料的摩擦
系数由材料的表面特性所决定，复合材料由低摩擦
系数的IyIFE基体和露出基体的摩擦系数略高的碳
纤维填料组成，材料的摩擦系数由这两种材料在摩
擦面上所占的面积比例决定 。由于碳纤维的摩
擦系数较小，不会因为碳纤维的存在改变摩擦面的
组成而太多影响复合材料的摩擦系数，碳纤维在摩
擦面上的存在，弥补了摩擦面上的微观不平点，少量
石墨的存在，有助于在对偶件表面上形成稳定连续
的转移膜，所以随着碳纤维填充量的增加和少量石
墨的存在，PTFE复合材料的摩擦系数略有减小。
在油润滑条件下，碳纤维的填充量对PTFE复
合材料的摩擦系数影响不明显。
(2)PTFE复合材料磨损性能
从表3可知，P1 复合材料磨痕宽度，随着碳
纤维的填充量增大而减小。文献报道：硬质填料对
FE抗磨能力改善主要机理是对负荷的优先承载
作用 ；F1TE中的纤维可以优先承受载荷而减少
复合材料的磨损，纤维状填料的承载作用比粒状填
料大得多 。按此机理：碳纤维在摩擦面上有一定
分布比例，复合材料的摩擦性能与摩擦面上材料的
分布情况有关。
随着碳纤维填充量的增加，碳纤维在摩擦面相
对分布比例大，承载能力较大，并能将摩擦面上压应
力和剪应力传递到基体内部而不至于表面层应力集
中。对偶件相互摩擦时，均匀分布的碳纤维阻止金
维普资讯 http://www.cqvip.com
2005年第3期 师延龄等·碳纤维填充聚四氟乙烯的性能及应用 。25·
属凸峰深入PTFE表面，刨削深度较小，碳纤维的存
在阻止了摩擦面上P1rFE带状结构的大片破坏，防
止了转移膜破坏。石墨的特性决定了石墨的存在，
转移膜容易自修复，转移膜可以保持动态平衡，利于
形成连续、稳定的转移膜。从表4可知，试验后摩擦
面上外观情况说明了这一点。碳纤维复合材料微观
界面特性良好，碳纤维表面特性和分散度阻碍较大
磨损粒子生成，材料导热性较好，摩擦热易排除，利
于进一步提高耐磨性，所以其磨痕宽度较窄，磨损量
较低。
在油润滑条件下，碳纤维填充PTFE复合材料
利于形成稳定连续油膜，油膜厚度适宜，其抗磨损性
能较好。由于油膜的存在，在碳纤维正常填充量范
围内，随着碳纤维填充量增加，复合材料抗磨损性能
略有提高。
(3)速度对PTFE复合材料的摩擦学性能影响
从表5可知，对于碳纤维填充PTFE复合材料，
运动速度增加，摩擦系数和磨痕宽度随之增大。这
是因为随着速度的提高，转移膜难以维持动态平衡，
在摩擦面上不利于形成稳定连续的转移膜，而且转
移膜容易破坏，摩擦生热加大，热量不能及时排除；
复合材料形变增大，蠕变加剧，导致PTFE复合材料
摩擦系数增大，磨损加剧。
(4)负荷对PTFE复合材料的摩擦学性能影响
从表6可知，在中低运动速度下，随着负荷的增
加，碳纤维填充PTFE复合材料的摩擦系数变化不
大，磨痕宽度却明显加大。这是因为在材料的极限
PV值范围内，材料的摩擦系数取决于材料在摩擦面
上的分布特性，所以PTFE复合材料的摩擦系数与
负荷关系不大。随着负荷的增加，在摩擦面上金属
凸峰与PTFE复合材料的接触压应力和剪应力加
大，金属凸峰深入PTFE表面，刨削深度增加，引起
了摩擦面上triTE带状结构的大片破坏，导致转移
膜破碎，磨损量增加。
3 结论
(1)碳纤维对VrFE复合材料力学性能有一定
影响，碳纤维填充量增加，其拉伸强度、伸长率有所
下降。
(2)碳纤维对PTFE复合材料摩擦磨损性能有
一定影响，随着碳纤维填充量的增加，摩擦系数略
有减小，磨痕宽度下降，少量石墨的存在，有利于提
高材料的耐磨性能。
(3)采用碳纤维一石墨填充PTFE复合材料，碳
纤维填充量15％左右、石墨填充量3％ ～5％生产的
复合材料，用于制作组合密封件、导向支撑环等，在
往复和旋转工况下使用，尤其在水润滑的条件下优
于其他VI'FE复合材料。制品的综合性能良好，抗
磨损性能优良，寿命长。
参考文献
1 朱圣东，等．无油润滑压缩机[M]．北京：机械工业出版
社，2000，12：28～64．
2 袁荣根．填充聚四氟乙烯摩擦磨损特性[J]．有机氟工业，
1998(2)：15．
3 黄祥瑞．氟塑料自润滑材料[J]．有机氟工业，2000(1)．
4 王晓波，等．SiO 填充聚四氟乙烯复合材料的摩擦学行为
研究[J]．润滑与密封，2002(11)：48．
5 石淼森．固体润滑材料[M]．北京：化学工业出版社，
2000，9：178～201．
6 Tanaka k．，Kawakamis．Efect of various frUers on the friction
and Wear of trITE—based composites[J]．wear，1982，
79：221～234．
7 BahadurS．，TaborD．．The wear of filled VITE[J]．Wear，
1984，98：1～13．
Properties and Application of PTFE Filled with Carbon Fiber
Shi Yanling Wang Wendong
(Shanghai Research Institute of Materials)
Abstract：The physical&mechanical properties、friction&wear properties of polytetrafluoroethylene(P1rFE)
filled with carbon fiber are introduced in detail．its applications in hydraulic and pneumatics seal are presented．
Keywords：Polytetralluoroethylene；Carbon fiber；Friction；Wear
维普资讯 http://www.cqvip.com
582890942