近幾十年來，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,，人們對材料的使用要求也越來越高,，普通的均一單質(zhì)的材料已經(jīng)不能滿足不斷增長的多方面的需求。因此它們的應(yīng)用也受到限制,，各種新型的*材料也應(yīng)運(yùn)而生,。*材料的種類很多，包括以金屬和非金屬材料為基體的具有各種充填物的復(fù)合材料,。在本書中,，我們只介紹*高分子材料。為了改善純高分子材料的力學(xué)性能,，一般加入增強(qiáng)纖維如玻璃,、碳及石棉或纖維編織物,，以及各種金屬粉、氧化物等的顆粒填充組成復(fù)合型高分子材料,。

就摩擦磨損方面來說,，不同填料對高分子材料摩擦磨損性能的改善程度是不同的，其相關(guān)機(jī)理也不相同,，如銅粉,、鋁粉、青銅粉等填料主要靠自身的抗蠕變性,、抗壓強(qiáng)度,、硬度及尺寸穩(wěn)定性來提高復(fù)合材料的耐磨損性能；而鉛粉,、石墨,、二硫化鉬、氮化硼等填料主要是靠其自潤滑性,、熱穩(wěn)定性,、耐化學(xué)穩(wěn)定性的特點(diǎn)來彌補(bǔ)高分子材料的不足；還有一些填料是靠自身的補(bǔ)強(qiáng)性能來提高高分子材料的摩擦磨損性能,，如碳纖維,、玻璃纖維、織物,、晶須等,。

由于構(gòu)成*高分子材料的填料可以起到各種不同的作用，因此選擇合適的方法對其分類在高分子材料摩擦研究領(lǐng)域顯得比較重要,，國外有人提出根據(jù)填料在材料中所起的兩種作用進(jìn)行分類：①填料用來改善整體性能,；②填料用來改善界面性能。這樣,，可以把*高分子材料分成兩類：整體改性材料(在軟質(zhì)基體中加入硬而強(qiáng)的填料);界面改性材料(在硬而強(qiáng)的基體中加入軟而具有潤滑性的填料),。

20世紀(jì)90年代，國外有人系統(tǒng)研究了固體潤滑劑,、無機(jī)填料等對高分子材料摩擦磨損行為的影響,。相比無機(jī)填料，固體潤滑劑(如聚四氟乙烯,、石墨等)可以使摩擦系數(shù)和磨損率同時降低,；其中聚四氟乙烯，而石墨次之,。對于金屬填料,，其摩擦磨損結(jié)果比較復(fù)雜，主要依賴于填料和高分子材料的性能,。另外,，填料對磨損率的影響往往存在一個最佳填充比,。有人研究了二硫化鉬、石墨,、玻璃纖維,、碳纖維等填料對聚四氟乙烯的改性的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)填料可使聚四氟乙烯的磨損率降低2個數(shù)量級,；硬質(zhì)填料比軟質(zhì)填料效果要好,，但是硬質(zhì)填料卻使摩擦系數(shù)提高。另有研究發(fā)現(xiàn)[25,26],液晶材料能明顯改善聚四氟乙烯的耐磨性能,，而摩擦系數(shù)略有上升,。在高溫下熔融的液晶聚合物具有很好的流動性,，在合金體系中沿磨損率的空隙向周圍遷移流動形成微纖,，在合適的配比下，這些微纖相互連接,，在基體內(nèi)形成致密而均勻的立體網(wǎng)絡(luò),，起到了增強(qiáng)作用，從而改善聚四氟乙烯的耐磨損性能,。文獻(xiàn)27發(fā)現(xiàn),，不同的填料對聚四氟乙烯的磨損性能的影響差別很大(圖5-4),添加Pb?O?、Cu,、Si?N?填料的PTFE磨損率較小,，即此類填料對耐磨性能的改善較好，材料的磨損性能主要與對偶表面的轉(zhuǎn)移膜的形態(tài)有關(guān),。巴哈杜爾等研究了CuS對PEEK摩擦磨損性能的影響,，發(fā)現(xiàn)：在單獨(dú)加入CuS的條件下，隨著CuS含量的增加,，雖然PEEK的摩擦系數(shù)一直呈穩(wěn)定的上升趨勢,，但是PEEK的耐磨損性能提高了2~3倍。國內(nèi)有研究者對聚四氟乙烯使用稀土進(jìn)行改性處理后,，基體的磨損率降低了1或2個數(shù)量級,，研究證明稀土的加入具有細(xì)化晶粒和潤滑的作用。

  概括起來說,，高分子材料的摩擦磨損行為屬于動態(tài)的系統(tǒng)問題,，其影響因素涉及載荷、速度,、溫度,、表面接觸狀態(tài)、環(huán)境條件等諸多因素,。高分子材料具有黏彈性特征以及不良的導(dǎo)熱性和較低的熱穩(wěn)定性,，這些特性將使其摩擦磨損性能與廣泛使用的金屬材料明顯不同,。另外，高分子材料的分子結(jié)構(gòu),、相對分子質(zhì)量大小,、元素和官能團(tuán)排列以及填充材料組分、組合,、用量比例等也會對材料摩擦磨損性能產(chǎn)生很大的影響,。

1.工況條件的影響

高分子材料所涉及的工況條件主要有壓力(P,載荷)、速度(v)及工作溫度(T)等,，使用壓力對其性能的影響比較明顯,。表5-7給出了常用高分子材料的使用參數(shù)?？梢钥闯觯翰牧系膹?qiáng)度越高,、剛性越大、摩擦副的減摩自潤滑性能越好,，摩擦副的承載能力就越大,。

有研究者探索了碳纖維(CF)等無機(jī)填料增強(qiáng)的聚四氟乙烯材料在低、中,、高載荷下的摩擦磨損行為：材料的摩擦系數(shù)隨載荷的增大而降低,；在低、中載荷下,，材料的磨損率變化不大,，但在較高載荷下，其磨損率明顯增加,。對不同載荷下磨損與變形的相關(guān)研究表明,，在載荷達(dá)到一定極限值之前，材料一直保持相當(dāng)?shù)偷?/span>磨損率,，而當(dāng)使用載荷接近或超過此極,，材料呈現(xiàn)明顯的磨損。

  速度和溫度對高分子材料承載能力也有很大的影響,。通常,，在速度增加時，高分子材料相應(yīng)的承載能力都有不同程度的降低,，這主要是由于摩擦功耗及摩擦偶件熱負(fù)荷的增大,，將導(dǎo)致表面工作溫度的上升，從而造成表層材料性質(zhì)變化和摩擦潤滑狀況的劣化所致,。另外,，隨著環(huán)境溫度的提高，在相同的速度,、載荷條件下,，摩擦副的摩擦磨損性能將顯著降低,。需要指出，由于材料特性的差異,，溫度對不同高分子材料的承載能力的影響規(guī)律各不相同,，常溫下聚甲醛和尼龍的壓縮強(qiáng)度遠(yuǎn)大于聚四氟乙烯；但隨著溫度的升高,，二者的承載能力迅速下降,，喪失了在機(jī)械強(qiáng)度性能方面的優(yōu)勢。

2.增強(qiáng)組分與高分子基體的協(xié)同效應(yīng)

通常,，具有減摩性的高分子材料與金屬材料配副使用時,，顯示出良好的摩擦磨損行為，但是高分子材料存在著屈服強(qiáng)度低,、抗蠕變,、耐高溫能力差、導(dǎo)熱性不良以及熱膨脹系數(shù)大等缺陷,。通過加入某些增強(qiáng)組分并通過合理的配方設(shè)計(jì),，可以改善某一方面或幾方面的性能要求,。配方組分的選擇應(yīng)通過模擬試驗(yàn)確定,，特別需要關(guān)注填充組分與高分子基體的復(fù)合協(xié)同作用。例如,，在聚四氟乙烯中加入15%~25%的玻纖可以使耐磨性能提高100~1000倍,；但是，同樣的玻纖填充到尼龍中也作為軸承材料,，卻容易發(fā)生卡軸事故,。總起來說,，不同的高分子基體,、不同的環(huán)境條件、不同的潤滑狀況,，對于減摩和增強(qiáng)填充材料都有一個最佳組合的問題,。高分子基體和填充組分之間的協(xié)同效應(yīng)好，與工況條件相匹配,，材料的摩擦磨損特性和綜合性能就越好,。

高分子納米復(fù)合材料的摩擦學(xué)行為

自20世紀(jì)80年代開始，人們發(fā)現(xiàn)當(dāng)材料的特征尺度降低到納米尺度時,，會出現(xiàn)明顯不同于宏觀尺度下常規(guī)材料的一些全新的性質(zhì),，形成了一個全新的研究領(lǐng)域；而在摩擦學(xué)領(lǐng)域,，納米材料也逐漸得到了廣泛的研究,，部分成果也已經(jīng)得到應(yīng)用,。

納米效應(yīng)與納米摩擦學(xué)

納米材料在電學(xué)、磁學(xué),、光學(xué),、熱學(xué)、化學(xué)和力學(xué)性能等方面表現(xiàn)出常規(guī)材料所不具備的奇異性能,。主要是由于其有如下四個效應(yīng)：①表面效應(yīng),；②小尺寸效應(yīng)；③量子尺寸效應(yīng),；④宏觀量子隧道效應(yīng),。

納米摩擦學(xué)或稱微觀摩擦學(xué)或分子摩擦學(xué)，是在原子,、分子尺度上研究摩擦界面上的行為,、損傷及其對策。納米摩擦學(xué)狹義上主要研究內(nèi)容包括納米薄膜潤滑和微觀摩擦磨損機(jī)理,，以及表面和界面分子工程,，即通過材料表面微觀改性或分子涂層，或者含在納米尺度上對摩擦表面改性和排布原子,，發(fā)展表面和界面分子工程,；從廣義上來說，只要摩擦學(xué)系統(tǒng)中涉及納米級尺度的問題都可歸屬于納米摩擦學(xué)的研究范疇,。

5.6.2典型納米填料改性高分子材料的摩擦磨損性能

20世紀(jì)90年代初期,，中科院蘭州化物所的科研人員較早進(jìn)行了優(yōu)良性能的高分子納米復(fù)合材料摩擦學(xué)的研究工作，考察了加入Si?N?納米顆粒的PEEK材料[34]的摩擦學(xué)性能,；材料的摩擦系數(shù)隨納米顆粒含量的增加而下降,，而磨損率隨納米顆粒含量的增加先下降而后上升。載荷增大后,，摩擦系數(shù)和磨損率都明顯降低,。進(jìn)入21世紀(jì)，聚四氟乙烯納米復(fù)合材料的摩擦學(xué)行為才有正面結(jié)果的報道,，人們首先對ZnO納米顆粒改性PTFE的摩擦學(xué)性能進(jìn)行研究[35];結(jié)果表明,，隨著摩擦速度的增加，改性后的PTFE的摩擦系數(shù)有所降低,；隨載荷的增加,，其摩擦系數(shù)明顯下降。就PI納米復(fù)合材料來說,，隨著Al?O?納米顆粒含量的提高,，材料的摩擦系數(shù)和磨損失重均呈現(xiàn)先降低后增加的趨勢[36];而PI中加入納米LaF?顆粒后(37),其耐磨性的改變也存在類似關(guān)系。

人們對高分子納米復(fù)合材料的摩擦學(xué)機(jī)理進(jìn)行了討論，認(rèn)為[34-36]:在摩擦磨損過程中,，PEEK,、PTFE、PI等會在對偶件表面形成一層轉(zhuǎn)移膜,，納米顆粒加入后,，這層轉(zhuǎn)移膜的強(qiáng)度增加，高強(qiáng)度的轉(zhuǎn)移膜使得磨損表面光滑,，磨屑少,，保證摩擦副具有更低的摩擦系數(shù)和磨損率；但過量納米顆粒的加入,，將可能導(dǎo)致界面強(qiáng)度的降低而使磨損率升高,。

其他比較典型的高分子基體材料還有環(huán)氧樹脂和尼龍等。就環(huán)氧樹脂與碳鋼配副來說,，經(jīng)Si?N?納米顆粒改性后,，系統(tǒng)的摩擦系數(shù)與環(huán)氧樹脂的磨損率均明顯下降[38];存在一個Si?N?納米顆粒的合適添加比例使摩擦磨損性能，但磨損性能與摩擦性能的最佳加人量并不一致,。就尼龍材料來說,，添加SiC納米顆粒后，可使尼龍66的耐磨性提高,，但過量SiC納米顆粒加入(>10%),也會導(dǎo)致磨損的增加[39],。

另一方面，許多文獻(xiàn)對常規(guī)微米級填料與納米填料的協(xié)同作用進(jìn)行了探索,。在石墨填充后PTFE材料,，再加入納米顆粒后，材料的摩擦磨損性能有可進(jìn)一步得到改善,，如有人[40]對SiO?、TiO?等納米顆粒與石墨混合填充PTFE復(fù)合材料的摩擦磨損性能進(jìn)行了研究,；結(jié)果表明,，由于填充材料的支承作用和石墨的潤滑作用，形成了具有高強(qiáng)度減摩特性的轉(zhuǎn)移膜,，材料的磨損性能顯著優(yōu)于單一加入納米顆粒條件下,，其中以納米SiO?和石墨共同填充PTFE復(fù)合材料的磨損質(zhì)量損失最小。 ,20世紀(jì)90年代出現(xiàn)的一維納米顆粒-碳納米管對高分子材料摩擦學(xué)行為影響也有許多報道,。碳納米管加入到PTFE材料中后,，改變了PTFE的微觀結(jié)構(gòu)，阻礙了PTFE在摩擦過程中纖維狀結(jié)構(gòu)的大面積破壞,，極大地提高了PTFE復(fù)合材料的耐磨性能并使其具有一定的自潤滑性[41],隨著其填充量的增加,，PTFE基復(fù)合材料的摩擦系數(shù)與磨損率呈下降的趨勢。當(dāng)碳納米管在PTFE基復(fù)合材料中的體積分?jǐn)?shù)為15%～20%,碳納米管/PTFE復(fù)合材料的磨損率僅為純PTFE的1/240和1/290;而含有15%～20%石墨的相應(yīng)的復(fù)合材料其磨損率只是純PTFE的1/50(見圖5-5)

納米填料與微米填料摩擦磨損行為的比較

用納米復(fù)合材料代替微米復(fù)合材料的有效性在許多實(shí)驗(yàn)室得到驗(yàn)證。Rong等比較了微米TiO?和納米TiO?(10nm)對環(huán)氧耐磨性的影響,。研究結(jié)果表明,，TiO?納米粒子能夠顯著地降低環(huán)氧的磨損率，但是微米TiO?粒子做不到,。Ng等人在更早的報道中也有類似的結(jié)論,。Yu及其合作者研究了微米銅微粒以及納米銅微粒填充的聚甲醛(POM)復(fù)合材料的摩擦學(xué)性能。微米銅改性POM復(fù)合材料的磨損特征是擦傷和黏著,，而納米銅的是塑性變形,，因此磨耗量降低。Xue和Wang發(fā)現(xiàn)與微米SiC相比,，納米SiC可以使聚醚醚酮(PEEK)的磨損率降得更低,。這是因?yàn)?/span>在碳鋼環(huán)和納米SiC填充的復(fù)合材料摩擦塊的配合面上，可形成薄而均一,、黏性的遷移膜,。

因?yàn)榧{米填料可以賦予聚合物特殊的功能，而微米復(fù)合材料做不到這些,，所以納米復(fù)合材料成為耐磨材料和潤滑材料家族的重要一員,。這是一個既有理論意義又有實(shí)際意義的課題。要作為摩擦學(xué)應(yīng)用材料,，高分子納米復(fù)合材料必須同時滿足4個相互關(guān)聯(lián)的條件：組分選擇,、低成本工藝、制造和性能,。人們對這幾方面及其之間的相互依賴性的認(rèn)識還處于初級階段,，并不了解。但是,，復(fù)合材料的最終應(yīng)用要求將催生出許多新的觀點(diǎn)和看法,。