填料微觀特性及其表面改性對PTFE復(fù)合材料摩擦學性能的影響.pdf

1、摩擦學是一門涉及物理化學、材料學、表面工程學、數(shù)學、機械學、力學、熱力學等學科的高度交叉的邊沿學科。因為摩擦是發(fā)生在接觸表面之間的相互作用，現(xiàn)代摩擦學被定義屬于表面科學的范疇。聚合物復(fù)合材料因其結(jié)構(gòu)和性能的可設(shè)計性，一直是自潤滑材料的首選。但因其結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和影響摩擦學性能因素的多樣性，人們對聚合物及其復(fù)合材料的摩擦磨損機理尚未完全了解。
　　 PTFE以其優(yōu)異的自潤滑性能和低摩擦特性，在摩擦學領(lǐng)域一直是研究的熱點，但是其耐磨性

2、差的特點限制了其在更寬范圍的應(yīng)用。前人的研究大多集中在填料種類和含量對PTFE摩擦學性能的影響，而對于填料的尺寸、形狀、晶體結(jié)構(gòu)等微觀性質(zhì)對PTFE摩擦學性能的影響則并不多見。而且前人的研究缺乏系統(tǒng)性，往往只是研究某個具體的填料在特定條件下對PTFE摩擦磨損性能的影響，對于不同尺度下填料的特性對PTFE摩擦學性能的影響研究極其匱乏。另外，PTFE表面能是所有聚合物中最低的，僅為18.5×10-3N/m，表面不易潤濕，填充材料的表面改性是

3、十分困難的。
　　 針對上述問題，本論文分兩部分對PTFE復(fù)合材料的摩擦學性能開展系統(tǒng)的研究。
　　 首先，本文采用多尺度的研究方法，對比了微米、亞微米及納米尺度下填料尺寸對PTFE摩擦磨損性能的影響，及這三類不同尺度填料對PTFE復(fù)合材料摩擦磨損性能影響的差異。然后利用鈦酸鉀晶須晶體結(jié)構(gòu)及形貌可調(diào)的特點，研究了填料的晶體結(jié)構(gòu)及形貌對PTFE摩擦學性能的影響。
　　 其次，本文借鑒新的表面與界面理論及自組裝技術(shù)，

4、對比了傳統(tǒng)改性方法與OTS自組裝技術(shù)在填料表面改性及復(fù)合上的差異。從材料的潤濕性角度，分析填料的表面改性對其填充PTFE復(fù)合材料摩擦磨損性能的影響。
　　 本文主要結(jié)論如下：
　　 無論是在微米、亞微米還是納米尺度下，相比于尺寸細小的填料，大尺寸填料均有著更高的耐磨性能。相比于尺寸細小的亞微米及納米填料，微米填料有著明顯優(yōu)越的承載能力，因此在高載條件下，微米填料填充的PTFE復(fù)合材料有著更好的耐磨性能。亞微米及納米填料，

5、對于對偶面轉(zhuǎn)移膜的增強保護作用要優(yōu)于微米填料，因此在載荷能承擔范圍內(nèi)，尤其是在低載荷下，與傳統(tǒng)微米填料增強的PTFE復(fù)合材料相比，亞微米、納米填料填充的PTFE復(fù)合材料有著更加優(yōu)越的耐磨性能。
　　 大尺寸的微米填料與小尺寸的亞微米填料及納米填料，能夠在尺寸上形成互補作用，協(xié)同增強PTFE，從而進一步大大降低材料的磨損量。相比于單一填充碳纖維的PTFE復(fù)合材料，碳纖維與納米碳纖維兩者協(xié)同增強的PTFE復(fù)合材料的耐磨性能更優(yōu)，這是

6、因為這兩種填料在尺寸上有著極好的優(yōu)勢互補作用。運用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以準確預(yù)測出協(xié)同增強體系復(fù)合材料的摩擦磨損性能。
　　 填料的形狀對PTFE復(fù)合材料的耐磨性能有著非常顯著的影響，晶須狀填料由于其比顆粒填料具有更高的承擔載荷能力，因此晶須填充的PTFE復(fù)合材料具備更好的耐磨性能。對比層狀晶體結(jié)構(gòu)及四方形晶體結(jié)構(gòu)的填料，封閉型隧道狀結(jié)構(gòu)的填料填充的PTFE復(fù)合材料有著更低的摩擦系數(shù)和更高的耐磨性能。
　　 通過表面處理可以提