劉宇飛，尹忠慰，蔣　丹，李虎林，霍亞軍

(上海交通大學 機械與動力工程學院，上海 200240)

黏接壓力對PTFE/Kevlar雙層織物摩擦磨損性能的影響

劉宇飛，尹忠慰，蔣丹，李虎林，霍亞軍

(上海交通大學 機械與動力工程學院，上海 200240)

通過PTFE(聚四氟乙烯)/Kevlar雙層織物與GCr15鋼制金屬盤的黏接試驗，研究黏接面經(jīng)過噴砂處理后，黏接壓力對PTFE/Kevlar雙層織物摩擦磨損性能的影響．結果表明：黏接壓力為0.30 MPa時，PTFE/Kevlar雙層織物的摩擦因數(shù)和磨損率最低，潤滑性能和耐磨性能最好；同時，與黏接壓力為0.10及0.20 MPa時相比，黏接壓力為0.30及0.40 MPa時，PTFE/Kevlar雙層織物的摩擦因數(shù)與磨損率的一致性較好，故適當提高黏接壓力有利于提高PTFE/Kevlar雙層織物摩擦磨損性能的穩(wěn)定性．

黏接壓力；PTFE/Kevlar雙層織物；摩擦因數(shù)；磨損率

聚四氟乙烯(PTFE)纖維具有極佳的熱穩(wěn)定性、抗腐蝕性以及潤滑性，是重要的摩擦材料．Kevlar纖維于1972年商品化，具有極佳的耐熱阻燃性、化學穩(wěn)定性、比強度、耐磨性以及抗撕裂性，在纖維增強復合材料、橡膠產品、繩索、電纜、防彈等領域有著重要的應用[1-2]．混編PTFE/Kevlar織物由PTFE纖維和Kevlar纖維編織而成，混編織物的目的在于將構成組分的優(yōu)勢特性結合在一起從而形成新型織物[3].混編PTFE/Kevlar織物既擁有PTFE纖維的高潤滑性，又具備Kevlar纖維優(yōu)良的力學性能，這是單一纖維織物所無法做到的．

混編PTFE/Kevlar織物優(yōu)良的摩擦磨損性能使其成為極受歡迎的軸承襯墊材料，為了使織物發(fā)揮作用，須將其黏接在軸承的摩擦面上．但是PTFE是表面張力最小的固體材料，表面能非常低，臨界表面張力僅為0.018 N/m[4]，很難進行黏接操作．盡管Kevlar纖維的加入在一定程度上緩解了其不黏性，但仍需對織物、軸承的黏接面進行處理，并在黏接時選取適當?shù)墓に噮?shù)，才能取得較好的黏接效果．根據(jù)黏接面的不同，采用的處理方法也各不相同，常見的處理方法有力學、物理及化學處理方法．

力學處理方法是利用鋼絲刷、砂紙等打磨黏接面，或對黏接面進行噴砂、噴丸處理，從而提高其表面粗糙度，增加膠結面積，獲得較好的黏接強度．文獻[5]的研究指出，金屬基底的表面粗糙度直接影響織物復合材料的黏接強度，織物襯墊的剝離強度與抗剪強度也隨金屬表面粗糙度的變化而變化，并且通過試驗得出，當金屬表面粗糙度為0.8時，有最大的剝離強度和剪切強度．

物理處理方法是通過等離子體輝光放電、火焰處理以及電暈放電等方法改變黏接面的表面結構及表面能．文獻[6]通過空氣等離子體改性，改變PTFE/Kevlar織物的表面粗糙度和化學組成，從而改善了織物與酚醛樹脂的黏接強度．

化學處理方法是通過堿金屬汞齊、金屬鈉的氨溶液、五羰基鐵溶液、萘-鈉四氫呋喃溶液等溶劑對PTFE進行處理，從而改善其表面活性[7]．文獻[8]通過高錳酸鉀與硝酸的混合溶液，在100 ℃下對多孔PTFE薄膜進行處理，持續(xù)3 h，使其水接觸角由(133±3)°減少至(30±4)°，處理過程中羰基(C—O)、羥基(—OH)等親水性基團的引入，使得F和C原子比從1.65下降至0.10，大大提高了PTFE的親水性，令PTFE更容易被膠液浸潤，利于黏接．

國內外大量研究表明，對黏接面進行適當?shù)奶幚砟苊黠@改善PTFE/Kevlar織物的黏接性能，但有關實際黏接時的工藝參數(shù)，如黏接壓力、黏接溫度、黏接濕度等的研究幾乎沒有．本文將通過PTFE/Kevlar織物與GCr15鋼制金屬盤的黏接試驗，探討?zhàn)そ用娼?jīng)過力學方法處理后，黏接壓力對PTFE/Kevlar織物摩擦磨損性能的影響．

1　試　驗

1.1試樣制備

選取PTFE/Kevlar雙層編織，上層為PTFE纖維編織，下層為PTFE/Kevlar纖維混合編織．將只含有PTFE纖維的上層表面作為摩擦面，含有Kevlar纖維的下層表面作為黏接面．先將織物放入烘箱中，150 ℃焙烘3 h進行除蠟處理．然后將織物取出，選取毛質較硬的筆刷，在黏接面均勻涂抹上鐵錨204改性酚醛膠，室溫晾置30 min使膠層不黏，之后重復該涂膠操作，總共進行3次．

選取GCr15鋼制金屬盤，將丙酮與無水乙醇按體積比1∶1調配成清洗液，對金屬盤黏接面進行去油污處理．然后在0.7 MPa的氣壓下，用45目棕剛玉對黏接面進行噴砂處理，再用0.2 MPa高壓氣流除去黏接面上殘留的浮塵和剛玉，得到的金屬盤表面粗糙度Ra=1.5±0.1．對金屬盤進行涂膠處理，方法與織物的涂膠處理相同．

將織物與金屬盤準確疊合，置于熱壓機上在180 ℃下熱壓固化2 h．鐵錨204改性酚醛膠的建議黏接壓力為0.10～0.20 MPa，根據(jù)實際使用經(jīng)驗，黏接壓力為0.20～0.30 MPa較好，故選取黏接壓力分別為0.10， 0.20， 0.30與0.40 MPa進行試驗，以探究最佳黏接壓力．每種黏接壓力下制得3個試樣，序號如表1所示．

表1　試樣序號Table 1　Sample number

1.2試驗步驟及參數(shù)

試驗環(huán)境：溫度為20℃，相對濕度為50%．選取摩擦面直徑為4 mm的圓柱銷，將其固定在壓桿上；調整壓桿的水平位置，使圓柱銷接觸面圓心與試樣圓心的距離為16 mm．設定壓桿所施加的壓力為427.6 N，轉盤轉速為71.6 r/min，測試時間為4 h．

2　試驗結果與分析

2.1摩擦因數(shù)

測試得到12個試樣的摩擦因數(shù)曲線如圖1所示．

(a) 0.10 MPa

(b) 0.20 MPa

(c) 0.30 MPa

(d) 0.40 MPa圖1　各試樣摩擦因數(shù)曲線Fig.1　Friction factor curve of each sample

從圖1可以看出，各試樣摩擦因數(shù)曲線具有相似的變化趨勢，摩擦因數(shù)μ隨時間的增加先減小后增大．其中，曲線下降階段為上層PTFE纖維起作用階段，上升階段為下層PTFE/Kevlar混合纖維起作用階段．測試開始時，上層PTFE纖維先受到磨損，隨著纖維逐漸被磨斷，磨屑開始積累，摩擦因數(shù)逐漸減小，直到上層PTFE纖維被完全磨穿，此時摩擦因數(shù)減小至最低值，之后，隨著PTFE磨屑的減少，圓柱銷逐漸與PTFE/Kevlar混合纖維接觸，摩擦因數(shù)逐漸增大．

從圖1還可以看出，黏接壓力為0.10與0.20 MPa時，3個試樣摩擦因數(shù)曲線的一致性較差；黏接壓力為0.30與0.40 MPa時，3個試樣摩擦因數(shù)曲線的一致性較好．故適當提升黏接壓力有利于提升PTFE/Kevlar雙層織物摩擦性能的穩(wěn)定性．

根據(jù)計算，可以得到黏接壓力分別為0.10， 0.20， 0.30和0.40 MPa時，試樣的平均摩擦因數(shù)分別為0.084 6， 0.082 7， 0.075 9以及0.077 8，如圖2所示．

圖2　Ra=1.5±0.1時不同黏接壓力下試樣的平均摩擦因數(shù)Fig.2　Average friction factor of samples under different bonding pressure when Ra=1.5±0.1

從圖2可以看出，隨著黏接壓力的提升，試樣的平均摩擦因數(shù)先減小后增大．黏接壓力為0.30 MPa時，平均摩擦因數(shù)最低，使得PTFE/Kevlar雙層織物能展現(xiàn)出較為優(yōu)良的潤滑性能．

2.2磨損率

試驗機可以測出圓柱銷在垂直方向上的位移變化，從而反映出各試樣的磨損情況，如圖3所示．

(a) 0.10 MPa

(c) 0.30 MPa

(d) 0.40 MPa圖3　各試樣的圓柱銷垂直方向位移曲線Fig.3　Vertical displacement curve of round pin of each sample

從圖3可以看出，各試樣的磨損情況具有相似的變化趨勢：先較快磨損，之后緩慢磨損．這是因為與Kevlar纖維相比，PTFE纖維的耐磨性較差，故上層的PTFE纖維磨損較快，等到PTFE纖維被磨穿后，圓柱銷逐漸接觸到下層的PTFE/Kevlar混合纖維，由于Kevlar纖維具有極佳的耐磨性，故試樣的磨損變得緩慢，圓柱銷的垂直位移曲線呈平穩(wěn)緩慢下降趨勢．

從圖3還可以看出，黏接壓力為0.10和0.20 MPa時，試樣磨損過程的一致性較差；黏接壓力為0.30和0.40 MPa時，試樣磨損過程的一致性較好．故適當提升黏接壓力有利于提升PTFE/Kevlar雙層織物磨損性能的穩(wěn)定性．

由摩擦試驗機在線測量出磨損深度，再結合磨損面積可算出各試樣的體積磨損量．將試樣的磨損率定義[9]為

W=V/(F·S)

(1)

式中：W為磨損率，mm3/(N·m)；V為體積磨損量，mm3；F為壓力，N；S為摩擦距離，m．

根據(jù)式(1)，可以得到黏接壓力分別為0.10， 0.20， 0.30和0.40 MPa時，試樣的平均磨損率分別為8.879 3×10-5， 8.468 8×10-5， 8.248 6×10-5以及8.301 5×10-5mm3/(N·m)，如圖4所示．

圖4　Ra=1.5±0.1時不同黏接壓力下試樣的平均磨損率Fig.4　Average wear rate of samples under different bonding pressure when Ra=1.5±0.1

從圖4可以看出，隨著黏接壓力的提升，試樣的平均磨損率先減小后增大，黏接壓力為0.30 MPa時，平均磨損率最低．因此，黏接壓力為0.30 MPa時，PTFE/Kevlar雙層織物的耐磨性能最佳．

2.3對比試驗

為了進一步驗證結論，通過噴砂制備表面粗糙度Ra=2.8±0.1的GCr15鋼制金屬盤，以相同試驗步驟及參數(shù)進行對比試驗，得到PTFE/Kevlar雙層織物的平均摩擦因數(shù)與平均磨損率分別如圖5和6所示．

圖5　Ra=2.8±0.1時不同黏接壓力下試樣的平均摩擦因數(shù)Fig.5　Average friction factor of samples under different bonding pressure when Ra=2.8±0.1

圖6　Ra=2.8±0.1時不同黏接壓力下試樣的平均磨損率Fig.6　Average wear rate of samples under different bonding pressure when Ra=2.8±0.1

由圖5和6可以看出，在表面粗糙度Ra=2.8±0.1條件下，平均摩擦因數(shù)與平均磨損率最低值依然出現(xiàn)在黏接壓力為0.30 MPa時，因此驗證了之前的結論．

3　結　語

本文在黏接壓力分別為0.10， 0.20， 0.30和0.40 MPa條件下，測試分析了PTFE/Kevlar雙層織物與GCr15鋼制金屬盤黏接后的摩擦磨損性能．結果表明，黏接壓力對PTFE/Kevlar雙層織物的摩擦磨損性能有顯著影響，具體結論如所述.

(1) 黏接壓力為0.30 MPa時，PTFE/Kevlar雙層織物的摩擦因數(shù)和磨損率最低，潤滑性能和耐磨性能最好．

(2) 黏接壓力為0.30 和0.40 MPa時，PTFE/Kevlar雙層織物的摩擦因數(shù)與磨損率的一致性比0.10和0.20 MPa時的一致性要好．故適當提升黏接壓力有利于提升PTFE/Kevlar雙層織物摩擦磨損性能的穩(wěn)定性．

[1] YUE C Y，SUI G X，LOOI H C. Effects of heat treatment on the mechanical properties of Kevlar-29 fibre [J]. Composites Science and Technology，2000，60(3)：421-427.

[2] ANDREWS M C，DAY R J，HU X，et al. Deformation micromechanics in high-modulus fibres and composites [J]. Composites Science and Technology，1993，48(1/2/3/4)：255-261.

[3] NUNNA S，CHANDRA P R，SHRIVASTAVA S，et al. A review on mechanical behavior of natural fiber based hybrid composites[J]. Journal of Reinforced Plastics and Composites，2012，31(11)：759-769.

[4] 張玉龍. 黏接技術手冊[M]. 北京：中國輕工業(yè)出版社，2001：100-102.

[5] JIA Z N，HAO C Z，HAN C. Influences of surface roughness of steel substrate on bond strength of fiber woven composite[J]. Applied Mechanics and Materials，2014，481：258-263.

[6] ZHANG H J，ZHANG Z Z，GUO F. Effects of air plasma treatment on tribological properties of hybrid PTFE/Kevlar fabric composite[J]. Journal of Applied Polymer Science，2009，114(6)：3980-3986.

[7] 江鎮(zhèn)海. 聚四氟乙烯改性技術進展與評述[J]. 有機氟工業(yè)，2011(1)：49-52.

[8] WANG S F，LI J，SUO J P，et al.Surface modification of porous poly(tetrafluoraethylene) film by a simple chemical oxidation treatment[J]. Applied Surface Science，2010，256(7)：2293-2298.

[9] SHAN L，WANG Y X，LI J L，et al.Tribological behaviours of PVD TiN and TiCN coatings in artificial seawater[J]. Surface & Coatings Technology，2013，226：40-50.

Effects of Bonding Pressure on Friction and Wear Properties of PTFE/Kevlar Double Fabric

LIUYu-fei，YINZhong-wei，JIANGDan，LIHu-lin，HUOYa-jun

(School of Mechanical Engineering, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240, China)

Adhesive surfaces of GCr15 steel plates were processed by abrasive blasting. The effects of bonding pressure on friction and wear properties of PTFE/Kevlar double fabric were studied by bonding tests of the fabric and GCr15 steel plates. The results showed that, when the bonding pressure was 0.30 MPa, PTFE/Kevlar double fabric had the lowest friction factor and wear rate, demonstrated the best lubricity and wear resistance. Compared with the bonding pressure of 0.10 and 0.20 MPa, when the bonding pressure was 0.30 and 0.40 MPa, the friction factor and wear rate of the fabric showed a better consistency, which indicated that an appropriate increase of bonding pressure was beneficial to increase the stability of friction and wear properties of PTFE/Kevlar double fabric.

bonding pressure； PTFE/Kevlar double fabric； friction factor； wear rate

1671-0444(2015)04-0433-05

2014-11-16

國家自然科學基金資助項目(51175341)

劉宇飛(1991—)，男，山東海陽人，碩士研究生，研究方向為自潤滑織物材料的摩擦磨損性能.E-mail:liuyufeinegi@163.com

尹忠慰(聯(lián)系人)，男，副教授，E-mail:yinzw@sjtu.edu.cn

TH 145.9

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