聚合物/金属摩擦界面迁移过程的数值模拟

聚合物材料在与金属对偶件滑动接触时,会在摩擦界面上发生界面迁移,导致在金属对偶件表面形成一层转移膜.转移膜的存在能够有效地降低聚合物材料的磨损.本文基于离散单元法,利用二维颗粒流程序(PFC2D),对PTFE/45钢界面迁移过程进行数值模拟分析.模拟结果表明:PTFE与45钢组成摩擦副时,会在45钢表面形成一层转移颗粒层.一开始转移颗粒数逐渐增大,一段时间后随着转移颗粒层的形成与完整,转移颗粒数趋于一个定值且保持动态平衡,磨损颗粒增加速率显著下降,并维持在一个稳定的值.     

稀土处理炭纤维填充聚四氟乙烯复合材料在干摩擦条件下的摩擦磨损性能研究

研究了稀土元素(RE)处理炭纤维表面的最佳添加量和不同炭纤维表面处理对聚四氟乙烯(PTFE)复合材料在干摩擦条件下摩擦磨损性能的影响,并利用扫描电子显微镜对其磨损表面进行观察和分析.结果表明:当稀土元素在表面改性剂中的含量为0.3%时,炭纤维填充聚四氟乙烯复合材料的摩擦磨损性能最佳;在干摩擦条件下,表面处理炭纤维填充聚四氟乙烯复合材料的摩擦系数比未经处理炭纤维填充聚四氟乙烯复合材料的低,且其耐磨性较好;稀土处理使得复合材料的界面强韧性得到明显改善,从而提高了其摩擦磨损性能.     

尼龙自润滑性与表面织构协同作用对HDPE基水润滑轴承摩擦磨损性能的影响

传统的船舶尾轴油润滑轴承的润滑油泄露造成了严重的海洋污染,逐渐被水润滑轴承取代,但水较差的承载能力要求水润滑轴承具有良好的减磨耐磨性能. 通过HDPE与PA66的共混材料研究尼龙润滑填料和表面织构协同作用对水润滑轴承摩擦磨损性能的影响,利用超景深三维显微系统测量共混材料试样浸泡后的表面纹理结构,利用CBZ-1摩擦磨损试验机对试样进行摩擦试验并记录摩擦系数,利用表面轮廓仪和扫描电镜(SEM)观察试样磨损形貌并分析其磨损机理. 试验表明:PA66的添加能优化共混材料的摩擦学性能. PA66的水溶胀性使共混材料表面形成微凸织构,降低摩擦系数和减轻表面磨损;PA66的存在可使共混材料在摩擦过程中在对摩铜盘表面形成转移膜,有效保护摩擦副表面,减轻磨损.      

固体润滑透平轴承 第三部分:在316℃下与陶瓷对摩的复合材料的发展

将以前与M-50钢对摩进行过评价的三维石墨纤维编织物增强的聚酰亚胺基自润滑保持架复合材料,在316℃下与热压氮化硅对摩进行了摩擦磨损试验,以确定其与陶瓷材料对摩时在摩擦学性能方面的变化。这些材料将应用在固体润滑的采用高比强度陶瓷滚动元件的高速透平轴承中。试验结果表明,这些复合材料与热压氮化硅对摩时的摩擦和磨损都急剧增大。这是由于从氮化硅环上发生了细小磨屑的物理和(或)化学转移,以及这些磨屑转移到复合材料表面上的缘故。调整复合材料中纤维和聚合物基体的比例,以及用所研究过的两种固体润滑剂混合物之一都可以降低摩擦与磨损。     

碳纳米管改性聚四氟乙烯复合材料的摩擦磨损性能研究

评价了用不同含量碳纳米管(CNTs)改性聚四氟乙烯(PTFE)复合材料的力学性能,利用MM-200型摩擦磨损试验机研究了CNTs含量对PTFE复合材料摩擦磨损性能的影响,借助于扫描电子显微镜观察分析了试样磨损表面及磨屑形貌,并探讨其磨损机理.结果表明:CNTs能够提高PTFE复合材料的硬度和冲击强度,在本文研究范围内,当CNTs的质量分数为7%时,PTFE复合材料的力学性能最佳;CNTs能够增加PTFE复合材料的摩擦系数、降低其磨损量,当其质量分数为10%时,PTFE复合材料的耐磨损性能最佳.纤维状碳纳米管可以阻止PTFE带状结构的大面积破坏,以及在摩擦过程中于偶件表面能够形成转移膜并隔离复合材料与偶件的直接接触是其减摩耐磨作用的主要原因.     

摩擦偶件对单晶硅宏观摩擦磨损行为的影响

研究了单晶硅分别与Si3N4、红宝石及GCr15钢对摩时的摩擦磨损性能.结果表明:单晶硅与不同偶件对摩时的摩擦系数均随着滑动速度的提高而降低;在相同试验条件下,单晶硅与GCr15钢对摩时的摩擦系数最高,这主要是由于单晶硅与GCr15钢中的过渡金属元素Fe具有很强的化学亲合势所致;而单晶硅与红宝石对摩时的磨损体积损失最大,与GCr15钢对摩时的磨损体积损失最小;低速下Si3N4和红宝石陶瓷偶件与单晶硅对摩时磨损表面存在大量的微断裂,随着滑动速度的增加其磨损表面逐渐变得较为光滑;GCr15钢与单晶硅对摩初期向单晶硅表面转移,在随后的摩擦过程中转移层因磨损而被去除,故单晶硅/GCr15钢磨损表面比其他2种摩擦副的磨损表面光滑.     

聚四氟乙烯和二硫化钼填充聚酰亚胺复合材料的摩擦磨损性能研究

采用MM-200型摩擦磨损试验机考察了聚四氟乙烯(PTFE)和MoS2填充聚酰亚胺(PI)复合材料在干摩擦下与GCr15轴承钢对摩时的摩擦磨损性能，并利用扫描电子显微镜和X射线能量色散谱仪分析了PI复合材料及其偶件磨损表面形貌和元素面分布．结果表明，PTFE和MoS2均可降低PI的摩擦系数，其中PI 30％MoS2复合材料的减摩性能最佳，其摩擦系数同纯PI的相比降低了约50％．除PI 10％PTFE 20％MoS2外，其它几种复合材料的抗磨性能均明显优于纯PI，其中PI 20％PTFE 10％MoS2复合材料的抗磨性能最佳，其磨损率比纯PI的低1个数量级．PI复合材料的摩擦磨损性能同其在偶件磨损表面形成的转移膜的性质密切相关，当转移膜厚度适当且分布较均匀时，PI复合材料的减摩抗磨性能良好．     

PTFE基复合材料磨损机理的研究

通过用几种无机物及不同硬度的金属网填充的聚四氟乙烯(PTFE)基复合材料的磨损性能研究,认为填料减磨的主要机理是由其在摩擦界面上支承载荷的结果。对金属对偶表面上转移膜的俄歇(AES)深度剖析表明,不锈钢丝网填充PTFE基复合材料形成的转移膜的厚度要比用铜网填充的复合材料形成的薄得多。用不锈钢网和无机物共同填充的复合材料的磨损比纯无机物填充的复合材料的低得多。还根据电子显微镜观察结果对磨屑的形成过程进行了探讨。     

碳纤维增强摩阻材料的摩擦损特性研究

利用Ｄ－ＭＳ摩擦磨损试验机研究了自制的碳纤维增强摩阻材料的碳纤维含量、表面状态、强度及长度对其摩擦磨损性能的影响。结果表明：碳纤维含量对摩阻材料的摩擦磨损性能有显著影响,低含量时主要起减摩作用,高含量时主要起抗犁削作用;经过表面改性的碳纤维与粘结剂结合强度较高,能改善摩阻材料的摩擦磨损性能,高强度碳纤维增强摩擦材料具有较好的摩擦磨损性能;碳纤维长度对摩阻材料的摩擦磨损性能和加工性能具有一定的影响。     

填充聚四氟乙烯对尼龙6摩擦磨损性能影响的研究

用Timken试验机考察了热压成形的PTFE填充尼龙6在干摩擦状态下的摩擦磨损性能及PTFE填充量、滑动速度和负荷对摩擦磨损的影响,并用X-光电子能谱仪(XPS)和电子探针(EPMA)研究了金属偶件摩擦表面转移膜的组成与形貌。结果表明,在给定的试验条件下,填充PTFE能够有效地改善尼龙6的摩擦磨损性能,PTFE的填充量在8～20％(vol)之间时的效果较好,8％PTFE填充尼龙6的PV值可比纯尼龙6的高1倍;填充PTFE的效用主要取决于转移膜的特性和PTFE在转移膜中的富集量。     

三维网络SiC/Cu复合材料在15W油中的摩擦性能

在转速为1 500～7 000 r/min、比压为1.1～3.9 MPa条件下,以65Mn钢为对摩副,以15 W油为冷却介质,研究了三维网络SiC/Cu复合材料在油流量为8 mL/(min·cm2)时的摩擦性能.结果表明,三维网络SiC/Cu复合材料摩擦片的摩擦系数较粉末冶金摩擦片的摩擦系数有大幅度提高;粉末冶金片与三维网络SiC/Cu复合材料片具有不同的失效机制:粉末冶金片的失效机制是表面裂纹和"过铜"(对偶中铜的转移),三维网络SiC/Cu复合材料片的失效机制以"过铁"(对偶中铁的转移)导致的SiC骨架被覆盖而失去作用为主;2种摩擦片与65Mn钢对摩的过程中都伴随着不同程度的氧化磨损.但粉末冶金片的主要磨损机理为磨粒磨损,而三维网络SiC/Cu复合材料片的磨损机理主要表现为"材料转移"导致的黏着磨损.     

磨盘材料和温度对TC11合金磨损行为的影响

对TC11合金与两种不同硬度的GCr15和W6Mo5Cr4V2在25、400和600℃对摩时的磨损行为进行了研究.利用SEM、EDS以及XRD等对试样磨面和剖面的形貌、成分及结构进行了观察与分析.结果表明:TC11合金与三种不同硬度的磨盘对摩后,在25℃,磨损率均随载荷的增加而增加,且磨损率较高,磨损表面呈现黏着和犁沟特征,磨损机理为黏着磨损与磨粒磨损;在400℃,合金与低硬度GCr15对摩时,磨损表面被黑色光滑氧化物所覆盖,磨损机理为氧化轻微磨损;与高硬度GCr15对摩时,在50和150 N,磨损表面呈现黑色光滑氧化物和犁沟特征,磨损机理为氧化轻微磨损和磨粒磨损;在250 N,磨损机理为黏着磨损与磨粒磨损;与W6Mo5Cr4V2对摩时,磨损表面呈现犁沟特征,磨损机理为磨粒磨损;在600℃,TC11合金的磨损率均较低,且与两种不同硬度GCr15对摩后的磨损率均低于与W6Mo5Cr4V2对摩的磨损率,磨损机理均为氧化轻微磨损.在25和600℃,磨盘材料对合金的磨损率具有不同的影响,但不影响合金的磨损机理;在400℃,磨盘材料既影响磨损率也影响磨损机理.     

碳纤维增强摩阻材料的摩擦磨损特性研究

利用Ｄ－ＭＳ摩擦磨损试验机研究了自制的碳纤维增强摩阻材料的碳纤维含量、表面状态、强度及长度对其摩擦磨损性能的影响．结果表明：碳纤维含量对摩阻材料的摩擦磨损性能有显著影响,低含量时主要起减摩作用,高含量时主要起抗犁削作用;经过表面改性的碳纤维与粘结剂结合强度较高,能改善摩阻材料的摩擦磨损性能,高强度碳纤维增强摩阻材料具有较好的摩擦磨损性能;碳纤维长度对摩阻材料的摩擦磨损性能和加工性能具有一定的影响．     

γ射线辐照聚四氟乙烯复合材料的结构和摩擦磨损性能研究

通过γ射线辐照聚苯酯改性聚四氟乙烯(PTFE/POB)复合材料,利用红外光谱、X射线衍射、DSC等对辐照前后材料的化学组成、结晶结构等进行了表征,并与γ射线辐照纯PTFE材料作对比,考察了热稳定性能、拉伸性能和摩擦磨损性能. 结果表明:γ射线辐照并未造成PTFE/POB 材料的化学组成和热稳定性能的明显变化,但使得PTFE分子量降低,结晶度增大;相比纯的PTFE材料,POB的加入一定程度上提高了PTFE的抗辐照能力,延缓了PTFE分子量下降程度和再结晶化能力. 辐照对PTFE/POB材料的耐磨性能影响并不显著,但摩擦系数均有不同程度的降低,且随着辐照剂量的增大,呈现先增大后减小的变化趋势,这与辐照后PTFE的分子量、结晶度及带晶尺寸变化,以及POB自身的抗辐照能力等密切相关.      

碳纤维和氟化钙协同提高PTFE摩擦学性能研究

聚合物复合材料由于其自润滑特性和化学稳定性高等优势,在汽车和装备领域运动机构的摩擦学设计中发挥着越来越重要的作用.本研究系统考察了氟化钙(CaF₂)颗粒的加入对聚四氟乙烯(PTFE)和碳纤维(CF)增强PTFE材料摩擦学性能的影响规律.研究发现,在PTFE中添加CaF₂颗粒可明显改善基体材料的抗磨性能.尤其,与分别填充有CaF₂陶瓷颗粒或CF的PTFE材料相比,同时填充CaF₂和CF的PTFE多元复合材料的耐磨性能分别提高了11.1和2.47倍. CF与CaF₂表现出显著的协同抗磨作用,同时该多元复合材料表现出极低的特征磨损率[8.9×10^-7 mm³/(N·m)]和优异的自润滑性能.通过多种表征手段深入分析了金属对偶表面生长转移膜的微观结构以及界面的物理化学反应和产物.结果表明,PTFE发生摩擦化学反应并生成的羧酸基团,随后与CF研磨产生的石墨碳、破碎的CaF₂以及其摩擦化学反应产物碳酸钙(CaCO_3...     

聚四氟乙烯及其复合材料的转移与磨损

本文对聚四氟乙烯(PTFE)的分子特征与结构特性、PTFE的转移行为及对其磨损的影响、影响转移膜生成的因素、PTFE转移膜与底材相互作用的本质,转移膜剥落形成磨屑的考察、PTFE结晶度对粘着磨损及摩擦的影响和PTFE基复合材料的特性及其摩擦学性能等进行了综述介绍。     

原子层沉积氧化铝薄膜摩擦学性能研究

不同温度条件下,采用原子层沉积(ALD)技术在单晶硅基底表面制备了Al2O3薄膜.利用原子力显微镜观察了Al2O3薄膜的表面形貌和粗糙度,利用纳米压痕仪测定了薄膜的硬度,并通过UMT-2型往复摩擦磨损试验机(球-盘接触方式)考察了制备温度、载荷和对偶球对Al2O3薄膜的摩擦学性能的影响.结果表明:不同温度条件下制备得到的Al2O3薄膜的粗糙度不同;制备温度为100和200℃的Al2O3薄膜的摩擦性能较优;在所用载荷范围内,摩擦系数存在最低值;与不同对偶球对摩时,由于对偶球硬度不同,Al2O3薄膜呈现不同的摩擦磨损现象.     

CF/PTFE纤维混编织物增强环氧复合材料干摩擦特性

采用碳纤维与聚四氟乙烯纤维(CF/PTFE)混编织物增强,制备了环氧树脂基自润滑复合材料,研究了钢背衬复合材料与45钢在环-环端面干摩擦状态下的摩擦学特性,考查了纤维织物、摩擦热、载荷、速度对材料摩擦磨损性能的影响,用红外热像仪、热电偶及风冷方式对摩擦副温度进行监控,用激光共聚焦显微镜和扫描电子显微镜对复合材料及偶件磨损面进行了观察与能谱分析.结果表明:与碳织物相比,混编纤维织物大大改善了复合材料的摩擦学性能,改善效果极大依赖于摩擦温度、载荷和速度参数.PTFE纤维磨损后在树脂基体及偶件表面形成减摩型转移膜层,材料表现为疲劳磨损特征.摩擦高温使复合材料摩擦学特性改变,黏结磨损加剧,偶件钢环表面出现氧化磨损,树脂基体塑性流动,摩擦力增大.混编纤维的排布方式影响复合材料的摩擦磨损性能,摩擦面上大量破碎的碳纤维易使偶件表面转移膜受到破坏,复合材料转变为以磨粒磨损为主,减摩主要源于磨屑中的润滑组分.     

雨水环境下PTFE/Kevlar编织材料摩擦学性能研究

针对川西平原地区实际降雨环境,开展了PTFE/Kevlar航空器关节轴承衬垫材料往复磨损试验,通过分析摩擦系数、磨痕损伤形貌以及磨损表面化学成分的演变规律,探究了雨水环境下PTFE/Kevlar编织材料的摩擦磨损特性.结果表明：雨水环境下PTFE/Kevlar轴承衬垫材料磨损损伤行为表现为PTFE纤维变形、破碎、转移以及Kevlar纤维变形和疲劳断裂.雨水环境下PTFE/Kevlar轴承衬垫材料的磨损过程可分为3个阶段：前期(N<1000)、中期(1000≤N<5000)和后期(N≥5000),分别是PTFE逐渐转移阶段、PTFE转移膜形成阶段以及转移膜破坏阶段.从磨损前期到中期,摩擦系数减小,最大磨痕宽度和最大磨痕深度增加,磨痕区域F元素含量增加、C元素含量减少;从磨损中期到后期,摩擦系数增加并波动,最大磨痕宽度和最大磨痕深度持续增加,磨痕区域F元素含量减小、C元素含量增加.结果表明雨水环境会促使转移膜快速剥落和破坏,因此,应尽量避免自润滑PTFE/Kevlar衬垫型关节轴承长时间在阴雨天气下使用.     

微波烧结氮化硅基复合陶瓷刀具材料摩擦特性研究

采用微波烧结技术制备了一种氮化硅基复合陶瓷刀具材料,研究了其与三种不同属性的硬质材料(氮化硅、硬质合金和GCr15轴承钢)在不同载荷下对摩时的摩擦特性与磨损机理.研究结果表明:当与氮化硅对摩时,磨损率最大且磨损率随载荷增大急速升高,磨损主要以脆性剥落形式存在;当与硬质合金对摩时,摩擦系数最小,随载荷增加磨损机理由磨粒磨损转变为磨粒磨损与疲劳磨损共同作用.当与轴承钢对摩时,磨损率最小,因在摩擦过程中在磨痕表面形成金属黏着,其磨损率随载荷的增大而减小.与商业的氮化硅陶瓷刀具材料相比,微波烧结氮化硅陶瓷刀具材料摩擦系数略有降低,磨损率降低了14.17%～59.49%.