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1、址州州rJ 、胁f 学f 论上第一章绪论材料的复合化是材料发展的必然趋势之一。人类制造和使用复合材料由来已久，早在6 0 0 0 多年前中国陕西半坡人就懂得将草梗合泥筑墙；而世界闻名的我国传统工艺品一一漆器就是由麻纤维和上漆复合而成，至今已有4 0 0 0 多年的历史。2 0 世纪6 0 年代后，随着高技术的发展，对材料性能的要求日益提高，单一材料很难满足性能的综合要求和高指标要求。复合材料因具有结构可设计性的特点受到各国的重视，因而发展很快。目前，已开发出许多性能优良的先进复合材料，各种基础性研究也深入开展。因此有人预言，2 1 世纪是复合材料的时代【l2 1 。高分子复合材料是目前复合材料
2、的丰要品种之一，其产量远远超过其它基体的复合材料。由于高分子复合材料一般既具有高分子材料的低密度，易加工，耐腐蚀等优点，又具有一定的强度，热稳定性，耐磨性等功能。因此，广泛应用于汽车，航天，机械，建筑等各领域。而其中减磨耐磨高分子复合材料也得到了很快的发展。摩擦功能复合材料包括磨阻复合材料和减磨复合材料。磨阻复合材料具有高摩擦系数，要求材料既有良好的耐磨性，又有较高的磨阻性，主要用于较高温度的环境。减磨复合材料指低摩擦系数的复合材料，要求材料既有高的耐磨性又有一定的减磨性能。它一般用于重载荷，低转速，需要T I 摩擦或水润滑的场合1 3 引。高分子材料的强度和模量与金属材料相比，低了1 - 2
3、 个数量级，因而它和金属接触时的真实接触面积较大，使载荷得以分散，降低了接触温度。并且高分子材料具有较大的弹性和塑性，在摩擦过程中能通过粘弹效应吸收一部分摩擦功，当形变恢复时又将能量释放出来，从而减轻了材料表面的磨损。另外，高分子材料的损伤容限，租尼和耐腐蚀性能均优于金属材料【5 】。由于上述特性，高分子材料完全符合易剪切，易粘附等固体自润滑材料的要求，已在减磨耐磨材料领域得到广泛应用，特别是在无润滑，低速、高负荷液体或固体粉末污染及化学腐蚀等环境下，作为减磨耐磨材料使用。U H M W P E 早己普遍应用于人造关节等部位；P T F E 、P I 、P A 等广泛应用于自润滑材料；环氧树脂
4、和酚醛树脂也在耐磨涂层中得到应用。随着高分子及其复合材料在摩擦领域的日益广泛应用，对于高分子及其复合材料的摩擦磨损性能及机理的研究也越来越多。本章在阐述高分子材料摩擦磨损的丰要机理，介绍有关提高高分子材料摩擦磨损性能的研究进展以及发展方向1 6 J的基础上，提出本文的研究内容、目的及意义。聚内烯豉悦f 壬I 勺水砭：j f Ir r J 峄辟辫损能删，L1 1 聚合物材料摩擦学简介所渭摩擦，按照经济合作与发展组织( O E C D ) 术语集是这样定义的：“在外力作用下，一个物体相对另一个物体运动或将要运动时，沿着两个物体界面作用的阻力”。聚合物材料的摩擦磨损是个复杂过程7 1 ，丰要可以从三
5、个方面来描述。一是摩擦副界面的弹性形变和塑性形变；= 是摩擦副之间通过界面进行的物质和能量的交换；三是影响界面间物质和能量交换的因素。摩擦副之间通过界面接触，外加压力和相对位移进行物质和能量的交换，而界面接触过程取决于摩擦副双方的截面微观形貌( 包括表面粗糙度、微突的尺寸和几何形状) ，材料的形变模式( 弹性形变、塑性形变和弹崾性形变) ，外加作用力，相对运动的速度以及不同的运动方式( 静态、滚动、滑动等) 。以下介绍聚合物材料摩擦和磨损的产牛过程及影响因素。1 1 1 产生摩擦的类型1 接触面的形变和位移”1千摩擦状态下，当一定的正压力( 厅) 垂直施加于静态接触的摩擦副时，由于接触由i 的
6、微观不规则而产牛切向应力( 瑚，在二者的作用下，摩擦副的表面发生弹性形变和塑性形变，从而使真实接触面积逐渐增大而接近理论接触面积，同时，切向应力也逐渐增加。在压力作用下接触面的变化可用接触面积和压力的变化表示为图1 1 。图1 1 正压力和切向力作用下接触面积的变化2 滑动摩擦阶段当摩擦副双方开始相对运动后，双方表面的微突( a s p e r i t i e s ) 通过接触然后分开的相互作用产生滑动摩擦。滑动摩擦的摩擦力毋可表示为：2且州胖I ，、学帕I ? p 论乏乃= 乃+ n + 乃+ 几。其中，为材料的弹性形变产牛的阻力，乃为材料的塑性形变产牛的阻力，乃为材料的剪切阻力，乃为粘着阻
7、力。3 犁耕造成的序擦犁耕造成的摩擦指硬质材料的微突刺入软质材料后，在滑动中推挤软质材料，使之发牛塑性流动并犁出一条沟槽。犁耕效应的阻力是摩擦力的组成部分，在磨粒磨损和擦伤磨损中，它是摩擦力的丰要成分。4 粘着造成的摩擦摩擦副间接触面的形成和分开过程伴随着微突的刺入和拔出，在这一微观区域形成材料的粘着。因此聚合物材料的摩擦系数与其粘弹性有很大关系。一般来说容易产牛弹性形变和各向异性的材料具有较高的摩擦系数。塑料和橡胶的摩擦学研究表明，交联密度，球晶尺寸和分子链结构都会影响摩擦系数。同时，聚合物材料的粘弹性还受温度的影响。摩擦速率，载荷，表面形貌及粗糙度都会通过对界面粘接的影响I 而作用于摩擦系
8、数。图1 2 表示粘着摩擦过程。图12 摩擦过程：接触、犁耕、形成支撑点( 从左到右)1 1 2 磨损机理高分子材料在摩擦过程中产生的磨损【“1 1 1 ，毛要来自以下几个方面：( 1 ) 材料向对偶面的转移，( 2 ) 材料的流失，( 3 ) 表面反应产物的形成。其磨损机制芒要有以下四种。1 疲劳磨损疲劳磨损是由于交变应力使表面材料疲劳而使其从表面脱落的现象。疲劳作用下产牛的材料失效来自于应力反馈效应。与一般的接触不同，其表现为失效的时间波动性和存在一定的疲劳寿命。疲劳磨损一般要经历两个阶段：裂纹萌牛和裂纹扩展。裂纹萌牛于何处，一般来说，对于润滑良好，材质均匀无损的纯滚动接触表面，裂纹的萌牛
9、多发生在次表面层最大剪应力处，裂纹的扩展比较缓慢，其损伤断面的颜色比较有光泽。聚I q 烯悦P 钠水复合“ f I f n 怿j 辱髀州f lf l O , IP E对于滑动接触表面，由于滑动摩擦力的作用，裂纹萌牛的位置将移近表面。在润滑不良、表面有伤痕的情况下，裂纹将起源于表面。裂纹产牛之后，当加于材料的应力超过其表面能时，裂纹开始扩展。而对于塑性材料，一些能量会在塑性形变中被吸收，因此，材料的塑性形变能力会影响其疲劳磨损。2 磨粒磨损当摩擦副之间相瓦接触时，如果两个表面其中一方的硬度远大于另一方，硬质表面的微突会通过软质表面的翅性形变而嵌入其中，引起材料从其表面分离出来从而产牛磨粒磨损。表
10、面的硬度是一个重要的参数，因为它控制着硬颗粒穿入表面的深度，一般认为，材料的硬度愈高，耐磨性愈好。材料的弹性模量对磨粒磨损也有显著的影响，弹性模量较小时，摩擦副间的贴合情况比较紧密，使局部单位载荷有所降低；同时当表面间有磨粒时，表面的弹性变形可能让磨粒在其间通过，因I 仍可以减少表面磨损。磨粒的尺寸和载荷的大小对磨粒磨损也有一定的影响，一般说，磨粒尺寸愈大，载荷越大，其磨损速度愈快。3 粘着磨损表面疲劳和磨粒磨损着重于应力和形变过程，丽在粘着磨损中起重要作用的是材料之问的相瓦作用。当两个作用物瓦相接触时，在大的范围内会产牛范德华作用，而在纳米级的范围内，表面作用力起丰导地位，于是通过表面的不均
11、匀和共同部分的增加而产牛了很强的粘着区间。粘着磨损的表面特征为严重的材料转移，在对偶面町以看到由材料转移过来并通过冷焊作用而牢固结合的转移膜。4 化学磨损化学磨损是指由于接触表面与周围环境发牛化学作用而引起的磨损。当接触面与环境中的物质发生化学反应时，其产物会脱离表面，使材料产生损失。化学反应能否进行决定于摩擦过程的摩擦能。在一个摩擦体系中，磨损往往是几种机制同时作用的结果。表面化学磨损和粘着磨损是因为有材料的转移和变化而不断改变接触卣的性质，此过程借助摩擦中的机械能和热能在表面微突和材料之间的转移和分散i i J 开始，然后通过表面疲劳和磨蚀而产牛磨屑的脱落。在摩擦磨损过程中，外界的条件不同
12、，聚合物材料的性能表现是完全不同的，因此，研究聚合物材料的摩擦磨损性能，必须确定摩擦条件的影响。1 2 影响聚合物材料摩擦磨损性能的因素影响聚合物摩擦性能的因素很多，如摩擦副材料的性质、环境气氛、静止接触时间、载荷情况、摩擦副的刚度和弹性、运转速度、温度状况、摩擦表面接触几何特性和表面层物理性质以及介质的化学作用等，因此聚合物的摩擦系数并不4州胖【，、i 蛳t ? ，价是材料的本质属性，而是一个与聚合物所处系统有关的物理量【9 1 。1 2 1 材料内部结构的影响任何一种材料，其宏观表现出来的各种性质，归根结底，是由其微观结构决定的。同样，聚合物的摩擦学性能与其结构也密切相关。分子量的大小、分
13、子结构的差别、不同的结晶度都会对聚合物材料的摩擦磨损性能造成影响I m l 。分述如下。1 分子量的影响Y a m a g u c h i i 2 8 J 用两种不同的试验装置研究了不同分子量H D P E 的摩擦系数，结果表明，在不同的测试装置中，材料的摩擦系数均随着分子量的增大而增加，佃摩擦系数的绝对值却不同。2 分子结构的影响分子具有对称结构的聚合物材料，如P E 、P T F E 其丰链两侧对称地排列着H原子和F 原子，且平行于丰链轴，单个分子轮廓光滑平整，分子问抗剪切强度小，摩擦系数小；对于P S 、P A 等材料，由于分子链结构的不对称性，摩擦系数均较大。所以，分子链结构的对称性是
14、评价聚合物摩擦学性能的一个重要因素。Y a m a g u c h i1 2 8 1 测定了分子中具有不同原子排列及对称性的十九种聚合物材料( 包括热塑性和热固性塑料) 在相同条件下的摩擦系数，结果列于表1 1 中l ”l 。可以看出，热圃性塑料由于其分子的不对称性，J 【，值一般在0 5 左右；对于热塑性塑料，值随着分子链对称性的增加而降低。3 结晶度的影响半晶型聚合物材料( P A 、P P S 和H D P E 等) 1 2 1 ，一般摩擦系数较小。关于材料摩擦学性能随结晶度变化的规律，研究不多，且文献中的报道也不尽相同。Y a m a d a 和T a n a k a 研究了结晶度对P
15、 E T 摩擦磨损性能的影响1 1 0 J ，发现其摩擦系数与结晶度的关系不大，当材料结晶度超过1 0 时，磨损增加幅度很大，并认为P E T磨损随结晶度变化的结果是由于滑动过程中的疲劳引起的1 ”】。1 2 2 试验条件的影响1 ) 载荷的影响已有的研究表明1 1 5 1 ，聚合物与金属干摩擦条件下，当试验载荷较低时( 零点几个M P a ) ，材料的摩擦系数随着载荷的升高呈现降低的趋势【l4 1 。由摩擦的粘着理论可知，_ 一P ”，也就是说，在较低的载荷下，聚合物的摩擦系数随载荷的变化趋势与粘着理论存在较好的符合关系。聚1 烯数脱 纳米缸台村 l 的唪捧黔州r 能，表1 1 分子结构对摩
16、擦系数的影响1 y p c 。f P l 蚓i cc 。咖a 州o f n e t 忙蹦d o f - t c ? 心”咖地N o l eS，PP ，S ，哪g cA v b - , t 噼舳c r - 弘o f M o n o m m当试验载荷进一步增加时( 几个M P a ) ，大部分情况下会导致聚合物材料摩擦系数的升高。出现这种现象，是因为在较高的载荷下，载荷对摩擦系数的影响，有可能被摩擦过程中滑动表面的温升对摩擦系数的影响所掩盖。因为随着载荷的增加，摩擦界面间摩擦热的积累速度加快，温度升高，使得聚合物材料的粘弹性6”州胖rJ 、1 F 帕f 。# 1 - ，论上对摩擦学性能影响增强。所以，如果不考虑温度和滑动速度这两个重要参数的话，实际上很难测定载荷对摩擦系数的影响。因为只有在低载荷F ，摩擦热才可忽略；而在试验载荷范围内，摩擦系数随载荷的变化有一极大值。随着速度的增加，摩擦系数的极大值向低载荷方向移动。佃值得注
