表面处理纳米Si3N4PTFE复合材料的力学与摩擦学性能.pdf

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1、2 0 0 9年 1 1月 第 3 4卷 第 l 1期 润滑与密封 L UBRI CATI ON ENGI NEERI NG NO V 2 0 o 9 Vo 1 3 4 No 1 1 DOI：1 0 3 9 6 9 j i s s n 0 2 5 4 01 5 0 2 0 0 9 1 1 0 1 1 表面处理纳米 S i N 4 P T F E复合材料 的力学与摩 擦学性能 顾红艳何春霞(南京农业大学工学院江苏南京 2 1 0 0 3 1)摘要：用热压成型法制备了纳米 S i N 填充的聚四氟乙烯(F E)复合材料，研究了纳米 S i N 质量分数、表面处 理对 P T F E复合材料力学和摩

2、擦磨损性能的影响，用扫描电子显微镜(S E M)对拉伸断口形貌进行观察，分析了复合材 料增强机制。结果表明：未处理纳米 S i N 能提高复合材料的硬度和耐磨性，但拉伸强度和冲击强度有所降低；表面处 理纳米S i N 后，F I F E复合材料的拉伸强度、冲击强度、减摩性能有所提高。拉伸断I：1 的微观分析表明，表面处理 S i N 在 F E基体中有较好的分散性，与 P T F E基体界面结合较好。关键词：纳米 s i N ；聚四氟乙烯；表面处理；力学性能；摩擦磨损性能 中图分类号：T B 3 3 2 文献标识码：A文章编号：0 2 5 4 0 1 5 0(2 0 0 9)1 1 0 4 0

3、 4 M e c h a n i c a l a n d Tr i b o l o g i c a l Pr o p e r t i e s o f PTFE Co mpo s i t e s Fi l l e d、)l，i t h Na no S i N b y S u r f a c e Tr e a t m e n t Gu Ho n g y a n He Ch u n x i a (E n g i n e e r i n g C o l l e g e，N a n j i n g A g r i c u l t u r a l U n i v e r s i t y，N a n j i

4、 n g J i a n g s u 2 1 0 0 3 1，C h i n a)A b s t r a c t：T h e c o m p o s i t e s o f p o l y t e t r a fl u o r o e t h y l e n e(P T F E)fi l l e d w i t h n a n o-S i 3 N 4 w e r e p r e p a r e d b y h e a t i n g c o m p r e s s i o n mo l d i n g Th e e f f e c t s o f c o n t e n t a n d s u

5、 r f a c e t r e a t me n t o f n a n o-S i 3 N4 o n t h e me c h a n i c a l，fri c t i o n a n d we a l p r o p e r t i e s o f P T F E c o mp o s i t e s w e r e i n v e s t i g a t e d T h e t e n s i l e fr a c t u r e s w e r e o b s e r v e d b y a s c a n n i n g e l e c t r o n m i c r o s c

6、 o p e(S E M)T h e s t r e n g t h e n me c h a n i s m f o r t h e c o mp o s i t e s w a s i n v e s t i g a t e d T h e r e s u l t s s h o w t h a t t h e u n t r e a t e d n a n o S i 3 N4 c a n r a i s e t he h a r d n e s s a n d we ar r e s i s t a n c e o f c o mp o s i t e s，b u t i t r e

7、d u c e s t e n s i l e s t r e n gth a n d i mp a c t s t r e n gth o f t h e c o mp o s i t e s Na n o S i 3 N4 b y S u rfa c e t r e a t me n t i n c r e a s e s t h e t e n s i l e s t r e n gth，i mp a c t s t r e n gth a n d fri c t i o n p r o p e rti e s o f c o mp o s i t e s Th e mi c r o a

8、 n a l y s i s o f t e n s i l e fra c t u r e s h o ws t h a t n a n o S i 3 N4 b y s u r f a c e t r e a t me n t h a s a b e t t e r d i s p e r s i o n i n t h e P TF E ma t ri x，a n d h a s a b e t t e r c o mb i n a t i o n wi t h t h e P TF E ma t ri x Ke y wo r d s：n a n o S i 3 N4；PT F E；s

9、u rf a c e t r e a t me n t；me c h a n i c a l p r o p e rty；f ric t i o n a n d we ar p r o p e rty 聚四氟乙烯是含氟塑料中综合性能最突出、应用 最广泛的一 种工程 塑料，其 中 F C键 具有 很 高 的键 能，属稳定 的化学键，因此具有很高的耐腐蚀性和耐 热性能，它的大分子为线性结构，属非极性聚合物，表面 自由能很低，因此具 有很低 的动、静摩 擦 因数。但由于聚 四氟乙烯大分子间吸引力较小，带状 晶体易 被片状剥离，因而表现为力学性能差、耐磨损性差和 承载变形大等缺点，限制了其广泛应用。为

10、此，多年 来许多学者对 P T F E进行 了多种改性 J，以提高 P T F E的综合性能，扩大其在各领域中的应用。纳米 s i N 是一种性能优异 的陶瓷粉体，具有耐 高温、高强度、高硬度、优良的耐磨性和 自润滑性等 基金项 目：高等学校博士学科点专项科研基金项 目(2 0 0 6 0 3 0 7 0 o 21 收 稿 日期：2 0 0 90 52 5 联系人：顾红艳，E m a i l：g u h o n g y a n-j a u e d u c n 优点，在 许 多 领 域 有 着 广 泛 的应 用。但 由 于纳 米 S i，N 具有高的表面 自由能，极容易发生团聚，为了 减少纳米粒

11、子团聚，通 常对纳米 粉体进 行表面改性。研究表 明，可以通过表面的物理和化学改性来提高纳 米粉体的可分散性，从而增强纳米粒子与聚合物基体 的黏结强度。笔 者对 纳米 s i N 填充 的 P T F E复 合材料进行了力学和摩擦磨损性能测试，研究了纳米 s i，N 质量分数、偶 联剂表 面处 理对 P T F E复 合材 料 性能的影响。1 试验部分 1 1 原材料 P r F E，粒径 2 0 3 0 Ix m，由南京玻璃纤维研究设 计院提供；纳米 S i，N ，由合肥开尔纳米材料有限公司生产，其主要性能见表 1；钛酸酯偶联剂 N D Z 2 0 1，由南京华富耀工贸有限 公司生产。2 0

12、 0 9年第 1 1 期 顾红艳等：表面处理纳米 S i，N F E复合材料的力学与摩擦学性能 4 1 表 1 纳米 S i N 的性能指标 T a b l e 1 P r o p e r t i e s o f n a n o S i 3 N4 p a r t i c l e s 粒径 n m 比表面积(m g“)纯度 外观 1 2填料的预处理及试样制备 首先用无水 乙醇将钛酸酯偶联 剂按 1：1稀释，偶 联剂 的 用 量 为 填 料 的 1 左 右；在 高 速 搅 拌 纳 米 s i N 的条件 下，雾 状 喷人经 稀释后 的偶 联剂，继续 搅拌 l 0 1 5 m i n，然后加热去除溶

13、剂备用。将处 理 与 未 处 理 纳 米 S i N 分 别 按 3 、5 、7、9 的质量分数加入到经干燥处理的 P T F E粉末 中，高速搅拌约 2 0 m i n后，将混合物倒人模具压缩 腔 内，置于压力机上进行冷压成型，冷压成型压力为 5 0 M P a，保压 1 0 m i n，然后脱模 取出预制品，在高温 烧结炉 中进行烧结，经机加工后制成纳米复合材料试 样。1 3试验 方 法 用 C S S-4 4 1 0 0型 电子 万能试 验 机，按 国标 G B T 1 0 4 0 1 9 9 2 测定试样的拉伸强度及断后伸长率，拉伸 速度 1 0 m m m i n；在 简 支 梁 冲

14、 击 试 验 机 上 按 G B T 1 0 4 3 1 9 9 3 测 定 缺 口冲 击 强 度；用 H R 一 1 5 0 A 型硬 度 计，按 G B T 9 3 4 2 1 9 8 8测量 材料 硬 度，其 压 头钢球 直径为 1 2 7 m m，压 力 为 5 8 8 N，加 载 3 0 s；用 M一 2 0 0 0型摩擦磨损 试验机 按 G B T 3 9 6 0 1 9 8 3进 行磨损 试验，转 速 为 2 0 0 r m i n，干 摩 擦，对 偶 件 硬 度 为 H R C 5 0的 4 5 钢环，其摩擦表面粗糙度为 兄 0 0 8 0 1 2 m，磨 损 时间均 为 3

15、0 m i n，载荷 为 2 0 0 N，用 T G 3 2 8 A型光 电分析 天 平分 析试 样试 验 前后 的质量；对拉 伸试样 断 口表面 喷金处 理后，采 用 L E O 一 1 5 3 0 V P 型扫描电镜仪(S E M)，进行断口形貌分析。2 结 果与讨论 2 1 S i N P rr F E复合材料 的硬 度 图 1 纳米 S i N 质量分数与 P 1 w 复合材料硬度的关系 F i g 1 Va r i a t i o n o f ha r d n e s s o f P TFE c o mp o s i t e s wi t h ma s s f r a c t i o

16、 n of n a n o p a r t i c l e s 纳米 S i，N 表面处 理 对 P rI F E复合 材料 硬度 的影 响如图 1所示。可知，未处理纳米 S i N 使 F E复 合材料 的硬度增加，且 随着填料加入量 的增加，复合 材料 硬度 增大。用偶 联剂 处理 纳米 粒子 表 面后，s i N F E复合材料的硬度平均下降了6 3。由于 纳米 s i N 是硬质材料，在复合材料中起到了分散和 传递载荷的作用，能较好地增加 P T F E复合材料的硬 度。用偶联剂处理纳米 S i N 后，纳米粒子表面构 成柔软的界面层，降低了纳米 S i N 的硬度，从而使 复合材料的

17、硬度有所下降。2 2 S i N P T F E复合材料的 力学性能 纳米 s i，N 表面处理 对 P T F E复 合材料 拉伸 强度 的影响如 图 2(a)所 示。可 以看 出，添 加 S i N 后 F E复合材料 的拉伸性能有所降低，且 随着 S i N 质量分数的增加，其拉伸强度有下降的趋势。用偶联 剂处理 纳米 S i N 表 面后，S i，N F E复合材 料的拉 伸强度 平均提 高了 5 1 6。在粒子增 强复合材 料 中，载荷主要由基体承受，将粒子填充到基体中，它阻碍 了基体大分子链的运动，使复合材料 内部 的缺陷增 多，并在粒子上产生应力集 中，导致复合材料的拉伸 强度下

18、 降；由于表面处理减少 了纳米粒子 的团聚，填 料在 F E基体中能均匀地分散，与基体充分接触、界面黏结性能较好，内部缺陷减少，使表面处理纳米 复合材料拉伸强度有所提高。纳米 S i N 表面处 理对 P T F E复合材 料 冲击强度 的影响如 图2(b)所示。可以看出，纳米 S i N 的加 人使复合材料的冲击强度下降；随着纳米 S i N 填充 量 的增加，纳米 s i N P T F E复合材 料 的冲击 强度 出 现先下降后上升再下降的波浪形趋势；当 S i N 质量 分数为 7 时，其 冲击性能最 好；用偶联 剂处理纳米 S i N 表面后，S i N P I 1F E复合材料的冲

19、击强度平均 提高了3 9。这是因为颗粒填料大多是刚性粒子，受外力作用时不易变形，难以吸收冲击能，且分散的 填料颗粒在基体 中会引起应力集 中作用，促使材料变 脆，冲击强度下 降；当纳米 S i N 含 量较小 时，颗 粒在基体 中易均匀分散，能阻止部分裂纹 的扩展，吸 收部分冲击能量；当纳米 S i N 质量分数大于 7 后，粒子在 P T F E中分散困难，极易团聚，由于大部分团 聚体是软团聚，当复合材料受冲击时，团聚体易于从 基体上剥落或 自身开裂，从而使冲击性能有下降的趋 势；经偶联剂处理后，纳米 S i N 的表 面能较低，在 基体 中团聚的趋势减小，更易于分散；同时偶联剂处 理纳米粒

20、子表面构成柔软的界面层，当材料受 到应力，5色 4 2 润滑与密封 第 3 4卷 时，该部分可以起到抑制裂纹增长的作用，吸收了 部分冲击能量，使复合材料的冲击强度有所提高。Ma s s f r a c t i o n o f S i 3 N4，a)拉伸 强度 M a s s f r a c t i o n o f S i 3 N4 (b)冲击 强度 图2 纳米 S i，N 质量分数与 P T F E复合 材料拉伸强度和冲击强度的关系 F i g 2 Va r i a t i o n o f t e n s i l e s t r e n g t h a n d i mp a c t s t r

21、 e n gth o f F E c o mp o s i t e s w i t h ma s s f r a c t i o n o f n a n o p a r t i c l e s(a)t e n s i l e s t r e n g t h：(b)i mp a c t s t r e n g t h 2 3 s i N P T F E复合材料 的摩擦磨损性 能 在干摩擦、载荷为 2 0 0 N条件下，研究了纳米粒 子表面处理对 P T F E复合材 料摩擦 磨损性 能 的影 响，结果如 图 3 所示。由图 3(a)可知：纳米 s j N 的加 入显著提高了复合材料的耐磨性，随着

22、填料质量分数 的增加，其磨损量逐渐减少；纳米 S i N 的表 面处 理 虽使复合材料的耐磨性能有所下降，但当 s i N 质量 分数为9 时，复合材料耐磨性能仍比纯 P T F E提高 了 1 0 9倍。纳米粒子的加入能大大提高复合材料的耐 磨性能，主要是由于磨损过程 中 F E大分子链 发生 滑移或 断裂，加入硬质填料后，填料具有优先承载作 用，且填料表面又可吸附大分子链，粒子相互之问吸 附的大分子链互相缠绕，从而阻止了F I F E带状结构 的大面积破坏，提高了耐磨性；随复合材料 中纳米粒 子含量的增加，复合材料的硬度逐渐增大，磨损过程 中复合材料不易发生塑性变形，复合材料 中的粒子逐

23、渐暴露，与对磨件表 面接触，在磨损过程中承载 了大 部分载荷，有效保 护了 P T F E基体，从而减 少了磨损 量。经表面处理后，纳米粒子表 面构成柔软的界面 层，复合材料的硬度有所下降，从而降低了复合材料 的耐磨性能。M as s f r ac t i on of Si 3 N4，(a)磨 损量 M a s s f r a ct i o n of Si 3 N4，(b)摩 擦 因数 图3 纳米 s i，N 质量 分数 与 P T F E复 合材料磨损量和摩擦因数的关系 F i g 3 Va r i a t i o n o f we a r ma s s l o s s an d f r i

24、 c t i o n c o e f f i c i e n t o f PTFE c o mp o s i t e s wi t h ma s s f r a c t i o n o f n a no pa r t i c l e s (a)w e a r ma s s l o s s；(b)f r i c t i o n c o e f f i c i e n t 由图 3(b)可知，纳米 S i N 的加入增加 了复合 材料的摩擦 因数，随 P I F E基体 中纳米粒子质量分数 的增加，复合材 料的摩擦 因数逐渐加大。表面处理纳 米 S i N 后，复合材料的摩擦因数均有所减少，减摩

25、性能有所提高，S i N F F F E复合材料 的减摩性能平 均提高 了为 1 4 5 。P T F E基 体 中纳米 S i N 的加入 使复合材料摩擦 因数增大，是 由于 P T F E在摩擦时会 向对磨 件表面转移形成一层 P T F E膜，颗粒 的加入会 破坏转移膜，提高了复合材料的摩擦因数。填充 P r r F E复合材料的摩擦面由低摩擦因数的 F F F E基体和 摩擦因数大的填料组成，复合材料的摩擦因数取决于 填料在摩擦面上所占的面积比例，随颗粒填料质量分 数的增加，在摩擦面上的填料面积比例也越大，从而 使材料的摩擦因数增大。表面处理后，降低了纳米粒 子的表面能，使其分散得更加

26、均匀，同时纳米粒子的 粒径有所增大，在摩擦 面上 的填 料面积 比例就减少，从而使复合材料摩擦 因数有所减少。暑、-L d z 。霄宣 r 如 8 4 0 宣、_ I _ 0 0=旨 目0 事 2 0 0 9年第 1 1 期 顾红艳等：表面处理纳米 S i 3 N P T F E复合材料的力学与摩擦学性能 4 3 2 4 s i N P 1 F E复合材料的拉伸断 口微观结构分析 图 4是表 面处 理 与未 处理 纳 米 S i N 填 充 P T F E 复合材料拉伸断 口的 S E M照片，由图4(a)可见，未处理 S i N P T F E复合材料其拉伸断 口处出现了大 的聚集块，且 有

27、大量 的 空穴，由图 4(b)可 见，表 面处理 S i N P T F E复合材料 的拉 伸断 口纤 维排 列较 整齐，没有大 的聚集 块，说 明表面处 理后 纳米 S i N 、与 P T F E基体的浸润性能好，有效防止了纳米粒子的 团聚，纳米 s i N 在 F E基体 中有较 好 的分 散 性，界面的黏结强度大，使复合材料拉伸强度大大增加。(a)未 处理s 】N4 (b)偶 联剂 处理s i 3 N4 图 4纳 米 S i N 填 充 P T F E复 合 材 料 拉伸断口的 S E M照片(6 0 0 0)F i g 4 SEM ph o t o g r a p h s o f t

28、 h e t e n s i l e f r a c t u r e o f F E c o mpo s i t e s fi l l e d wi t h n a n o S i 3 N 4(6 0 0 0)(a)u n t r e a t e d n a n o S i 3 N 4；(b)l l a n o S i 3 N4 b y s u r f a c e t r e a t me n t 3结论(1)未处理纳 米 S i N 填 充 P T F E后，使 复合材 料的硬 度有所 提高。用偶联 剂处理 纳米 粒子表 面后，S i N F E复合材料 的硬度平均下降 了 6 3 。(2)

29、S i N F E复合材料的拉伸强度、冲击韧 性有所下 降，当 S i N 质量分数为 7 时，F E复合 材料力 学性 能 最佳，表 面处 理后，s i N F E复合 材料 的拉 伸强 度平 均提 高 了 5 1 6 ，冲击强 度平 均 提高 了 3 9 。(3)纳米 s i N 的填充使 复合材料 的耐磨 性能大 大提高，表面处理 S i N 后，复合材料的耐磨性能虽 有所下降，但当 s i N 质量分数为 9 时，其耐磨性 能仍比纯 F E提高了 1 0 9 倍。未处理纳米复合材料 的摩 擦 因数 略有 增加，经 表 面处 理 后，s N P T F E 复合材料的减摩性能平均提高了1

30、 4 5。参考文献【1】“F e i，H u K e a o，L i J i a n l i n，e t a 1 T h e f ri c t i o n a n d w e a r c h ara c t e r i s t i c s o f n a n o m e t e r Z n O fi ll e d p o l y t e t r a f l u o r o e t h y l e n e J W e a r，2 0 0 2，2 4 9：8 7 7 8 8 2【2】王亮亮，陶国良 高导热聚四氟乙烯复合材料的研究 J 中 国塑料，2 0 0 4，1 8(4)：2 6 2 8 WAN

31、G L i a ng l i a n g，TAO Gu o L i a n g Re s e a r c h o n P T FE Ma Rx C o m p s o i t e w i t h H j g h The r ma l C o n d u c t i v i t y J C h i n a P l a s t i c s，2 0 0 4，1 8(4)：2 6 2 8 【3】丁美平，寇开昌，田普锋，等 不同方法处理碳纤维增强 一 F E复合材料性能的研究 J 工程塑料应用，2 0 0 6，3 4(4)：2 52 8 Di n g Me i p i ng，Ko u Ka i c h

32、a n g，Ti a n Pu f e n g，e t a 1 Re s e arc h o n t h e pr o p e r t i e s o f P TF E c o mp o s i t e r e i n f o r c e d wi t h CF mo d i fie d b y d i ff e r e n t t r e a t m e n t p r o c e s s J E n g i n e e ri n g P l a s t i c s A p p l i c a t i o n，2 0 0 6，3 4(4)：2 52 8 【4】史丽萍，何春霞，顾红艳，等 表面

33、处理纳米 A 1。O，填充 F E复合材料的磨粒磨损性能 J 中国塑料，2 0 0 4，1 8(8)：5 6 5 9 S HI L i p i n g，HE Ch u n x i a，GU Ho n g y a n，e t a 1 We a r B e h a v i o r o f C o m p o s i t e s o f P T F E S u r f a c e Mo d ifi e d N a n o A 1 2 O J C h i n a P l ast i c s，2 0 0 4，1 8(8)：5 65 9 【5】方芬，颜 红侠，李倩，等 偶联剂 表面处理纳米 S i O 填

34、 充 C E B M I 体系的力学性能 J 材料科学与工程学报，2 0 0 7，2 5(5)：7 3 17 3 4 F A N G F e n，Y A N H o n g x i a，L I Q i a n，e t a1 M e c h a n i c a l P rop e r t i e s o f Na n o S i O2 Tr e a t e d b y Co u p l i n g Ag e n t F i l l e d CE BMI J J o u r n a l o f M a t e ri a l s S c i e n c e E n g i n e e ri n g，

35、2 0 0 7，2 5 (5)：7 3 17 3 4 【6】索进平，肖建中 制备工艺对 P T F E复合材料硬度 的影响 J 润滑与密封，2 0 0 5(3)：7 8 8 0 S u o J i n p i n g，X i a o J i a n z h o n g E ff e c t o f f a b ri c a t i o n p roc e s s o n t h e h a r d n e s s o f P T F E M a t r i x c o m p o s i t e s J L u b r i c a t i o n E n g i n e e r i n g，2

36、 0 0 5(3)：7 88 0 【7】王国全，王秀芬 聚合物改性 M 北京：中国轻工业 出版 社，2 0 0 0：8 58 6 【8】李飞，胡克鳌，阎逢元，等 纳米 Z n O填充的 E基复合材 料摩擦学性能研究 J 润滑与密封，2 0 0 0(6)：3 7 4 0 L i F e i，Hu Ke a o，Ya n F e n g y u a n，e t a 1 An I n v e s t i g a t i o n o f the T r i b o l o g i c a l P r o p e r t i e s o f N a n o m e t r e Z n O F i l l e d P T F E J L u b r i c a t i o n E n g i n e e ri n g，2 0 0 0(6)：3 7 4 o