CN101851420A

CN101851420A - 一种在摩擦中形成转移膜提高摩擦性能的有机材料

Info

Publication number: CN101851420A
Application number: CN 201010165483
Authority: CN
Inventors: 李敏; 王瑾
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2010-05-07
Filing date: 2010-05-07
Publication date: 2010-10-06

Abstract

一种在摩擦中形成转移膜提高摩擦性能的有机材料，它涉及一种有机材料。转移膜是摩擦学的重要组成部分，在对偶面产生转移膜，既能形成稳定的摩擦系数及极低的磨损率，又能保护对偶，减少对偶的磨损。有机材料添加在摩擦材料中，瞬时摩擦状态间产生转移膜，及瞬时转移膜向稳定摩擦状态转变时也能形成稳定转移膜，从而产生非常平稳的摩擦系数及极低的磨损率。

Description

一种在摩擦中形成转移膜提高摩擦性能的有机材料

技术领域：

本发明涉及一种有机材料，具体涉及一种在摩擦中形成转移膜提高摩擦性能的有机材料。

背景技术：

通过大量的摩擦材料配方研究发现只要是摩擦性能好的摩擦材料，在试验时都出现转移膜，简单地说高性能的摩擦材料在摩擦时一定会产生转移膜。转移膜产生的条件是，在FF级、EE级摩擦材料中摩擦系数非常稳定，磨损率又极低的情况下出现。或者反过来也成立，只要出现了转移膜，摩擦系数不论是在FF级还是EE级都非常稳定、磨损率又极低。在这种理论情况下，摩擦材料的研究可以看着是转移膜的研究。那么怎样才能轻松产生转移膜呢？

发明内容：

本发明的目的是提供一种在摩擦中形成转移膜提高摩擦性能的有机材料，能够产生非常平稳的摩擦系数及极低的磨损率。

为了解决背景技术所存在的问题，本发明是采用以下技术方案：将聚苯硫醚PPS和聚四氟乙烯PTFE的外形进行物理处理，使它们成为40-80目粉末状，按1∶1混合，制成混合物备用。

本发明转移膜是摩擦学的重要组成部分。在对偶面产生转移膜，既能形成稳定的摩擦系数及极低的磨损率，又能保护对偶，减少对偶的磨损。有机材料添加在摩擦材料中，瞬时摩擦状态间产生转移膜，及瞬时转移膜向稳定摩擦状态转变时也能形成稳定转移膜，从而产生非常平稳的摩擦系数及极低的磨损率

附图说明：

图1是本发明用定速式摩擦试验机进行摩擦性能测试示意图。

具体实施方式：

本具体实施方式采用以下技术方案：将聚苯硫醚PPS和聚四氟乙烯PTFE的外形进行物理处理，使它们成为40-80目粉末状，按1∶1混合，制成混合物备用。

该自润滑复合材料的混合物用硫化锌、氟化钙等材料进行改性，形成协同效应。使其混合物对滑动速度、载荷、温度等因素影响较小。配方比例重量比如下：有机混合物1∶硫化锌2∶氟化钙2；将这些材料进行充分混合后，用2.5％添加量，添加在半金属摩擦材料、低金属摩擦材料及NAO摩擦材料等复合材料中混合均匀。最后将这些复合材料进行压制及固化处理，与各摩擦材料的生产工艺相同，经试验，对其转移膜形成条件进行分析。

本发明转移膜是摩擦学的重要组成部分，在对偶面产生转移膜，既能形成稳定的摩擦系数及极低的磨损率，又能保护对偶，减少对偶的磨损。有机材料添加在摩擦材料中，瞬时摩擦状态间产生转移膜，及瞬时转移膜向稳定摩擦状态转变时也能形成稳定转移膜，从而产生非常平稳的摩擦系数及极低的磨损率。

转移膜形成机理及影响形成转移膜因素分析：

1.填料

为了提高聚苯硫醚(PPS)及聚四氟乙烯(PTFE)的摩擦学性能，我们对其进行了各种改性研究，其中最主要是添加填料进行共混改性。目前摩擦材料广泛应用的填料有无机粉状填料，纤维填料以及纳米材料。这些填料在摩擦磨损过程中的作用主要有：(1)增强了转移膜在对偶面上的粘着性。(2)填料颗粒破坏了聚合物晶粒结构，减少了向对偶面的转移。(3)填料聚积在摩擦界面，承受了摩擦。

在对偶摩擦时X-射线光电子能谱分析显示有机材料在滑动中分解，产生了FeS和FeSO₄及其他成分。这些成分增加转移膜和对磨面的粘结，从而增加磨损抵抗能力，提高了耐磨性。添加Kevlar纤维增强复合材料的抗磨损性能Kevlar纤维增强复合材料在对磨面形成薄而均匀的转移膜。同时Kevlar纤维在摩擦热的作用下促进聚合物的分解和氧化，这有助于提高转移膜的黏结力和提高复合材料的抗磨损能力。

聚合物复合材料的表面界面特性是决定聚合物摩擦学特性的内在因素。纳米微粒表面原子数多，表面原子配位不饱和性导致大量的悬键和不饱和键，当纳米粒子加入到高聚物中时，可较容易与聚合物基体牢固结合在一起，从而使填充物表现出较好的磨损性能。纳米级颗粒能更好地固定转移膜在对偶面上，从而增加粘结应力并降低磨损。

填料的形态和性质对复合材料摩擦性能也有影响。分别添加颗粒状、层状、纤维状填料压制的摩擦材料。纤维和硬度较高的颗粒填料增强时，在摩擦过程中载荷首先由具有较高强度和硬度的填料颗粒或纤维承受。主要认为是与层状结构和填料本身的复杂成分有关的。

2.滑动速度

滑动速度对摩擦性能的影响是比较复杂的。复合材料在不同滑动速度下的磨损体积初始值相同，随速度增大磨损体积减小。滑动速度通过应变率和升温率影响摩擦行为。根据剥层理论，速度增大导致磨损逐渐增大。速度达到一定后，温度效应占主要因素。高速下产生的摩擦热使转移膜的反应活性增大，分子链结构更易向稳定结构改变，有利于减小摩擦磨损，滑动速度的影响比载荷要大，在摩擦过程中要产生大量的热，从而使摩擦面的温度升高。速度越大温度越高，当温度达到聚合物的玻璃化温度时，其粘性增加从而导致摩擦系数的增大，磨损也随滑动速度的增加而增加。然后再随着温度的继续上升高弹态渐变为粘流态，且粘度逐渐降低，从而会使摩擦系数迅速下降。

3.载荷

载荷是通过接触面积的大小和变形状态来影响摩擦力。随着载荷的增大，摩擦系数先急剧减小，到达一定程度后再趋于稳定，磨损体积随载荷的增大而增大。当载荷较低时，复合材料表面与金属表面的接触处于弹性或粘弹性状态，实际接触面积与Pⁿ成正比，其中N＝2/3-1。当载荷增大到一定程度后，微凸峰的接触状态完全转为塑性接触状态，此时面积的增大完全取决于塑性变形，面积与载荷成正比变化，摩擦系数不随载荷而变化，大致保持恒定。磨损初期，转移膜末完全形成，载荷的增大导致金属表面的硬微凸体对聚合物表面犁削的增大，从而使摩擦力、磨损均增大。

4.温度

温度是影响聚合物摩擦学性能的主要因素之一。摩擦过程中产生热量使温度升高，改变了表面层的性质以及摩擦过程中表面的相互作用和破坏条件，因而摩擦因数也随之发生变化。温度对有机材料的摩擦磨损性能的影响主要有两个方面：一方面是摩擦过程中摩擦生热使摩擦面温度不断升高，导致摩擦表面的有机材料由玻璃态转变为高弹态、粘流态。使摩擦系数和磨损率产生相应的改变。另一方面是摩擦温升使有机材料发生复杂的摩擦化学反应，从而改变了分子的结构，进而改变有机材料的摩擦学特性。在干摩擦条件下的常温和高温摩擦学性能，发现在300℃以上，随烧结温度上升以线形、支链及交链结构为主，聚合物线形结构改变有利于材料耐磨性能的提高，370℃成型试样表现出一定的自增强特性。随温度的升高，摩擦中逐渐形成转移膜，因此磨损率降低，聚合物在摩擦过程中形成牢固的薄而均匀的转移膜是其发挥摩擦学作用的重要保证。

参看图1，用定速式摩擦试验机进行摩擦性能测试，从摩擦磨损特性结果表明有机材料添加在各类摩擦材料中，瞬时摩擦状态间产生转移膜，由瞬时转移膜向稳定摩擦状态转变时也能形成稳定转移膜，其膜的厚度为40-180nm。结果表明有机材料表面原子配位不饱和性导致大量的悬键和不饱和键，当高聚物中填料加入到摩擦材料中时，可较容易与聚合物基体牢固结合在一起，在产生摩擦时填料承载了大量的负荷。由动能转化成热能释放。温度较高时350℃聚合物基体和摩擦材料中的纤维材料有效地牢固地结合，形成稳定摩擦状态的转移膜，为此转移膜理论在摩擦材料中得到有效的应用。

聚苯硫醚(PPS)大分子链由刚性结构的苯环与柔性的硫醚键连接，使其具有优良的耐热性，高温尺寸稳定、以及优良的耐磨性和熔融流动性。PPS具有优良的自润滑性和耐磨性，并且对炭黑、石墨、玻纤、陶瓷和金属等有很好的润湿作用和粘结性。

聚四氟乙烯(PTFE)大分子链上没有支链，分子呈柱状流线型结构，分子轮廓光滑，使它即有较低的摩擦系数，也容易在滑动过程中转移到对偶面上形成薄的转移膜。PTFE与铁基材料对摩时，因为大分子链容易被拉出结晶区。因而在摩之初就向对偶面转移，以库仑力各范德华力在摩面上形成一层20-300nm的厚膜，该薄膜按滑动方向高度定向。PTFE具有内聚能小，分子间结合力弱，氟原子的相斥性等使它光滑的大分子链外形即容易在转移膜上相互滑动，又不会继续拉扯出其它分子链，故其转移膜增厚的趋势较小。

因为聚苯硫醚(PPS)及聚四氟乙烯(PTFE)的特性为摩擦材料形成转移膜创造了有利的条件，故其作为摩擦材料的形成转移膜的首选材料。

Claims

1.一种在摩擦中形成转移膜提高摩擦性能的有机材料，其特征在于它将聚苯硫醚PPS和聚四氟乙烯PTFE的外形进行物理处理，使它们成为40-80目粉末状，按1∶1混合，制成混合物备用。

2.根据权利要求1所述的一种在摩擦中形成转移膜提高摩擦性能的有机材料，其特征在于所制成的混合物用硫化锌、氟化钙等材料进行改性，形成协同效应；使其混合物对滑动速度、载荷、温度因素影响较小；配方比例重量比如下：有机混合物1∶硫化锌2∶氟化钙2；将这些材料进行充分混合后，用2.5％添加量，添加在半金属摩擦材料、低金属摩擦材料及NAO摩擦材料复合材料中混合均匀；最后将这些复合材料进行压制及固化处理。