聚四氟乙烯(PTFE)的分子结构完全对称且无支链，具有极性小、稳定性高、耐高温低温等优点[1]，被广泛应用于航天航空、医疗器械、建筑等设备制造中[2-4]。但PTFE具有耐磨性差、尺寸稳定性差的缺陷，限制了PTFE进一步应用[5-6]。碳纤维(CF)的密度低、强度高、模量高，耐热性和耐化学腐蚀性能较好，可作为添加剂用于增强材料的耐磨性[7-8]，但CF组成单元为石墨层[9]，脆性较高，仅可作为增强相[10]，需要与其他无机基体掺杂改善材料的力学性能。硅灰石(Wo)具有价格低廉、线性膨胀系数小、耐高温耐腐蚀等特点，是一种有效的塑料增塑剂，能够增强PTFE的耐磨损性能[11]，并且针状的Wo改善效果更好[12-14]。本实验选取针状Wo和CF作为协同改性剂，经过热压、烧结、冷压等过程得到PTFE复合材料，并对其微观结构、力学性能、热力学性能以及摩擦磨损性能进行分析。1实验部分1.1主要原料聚四氟乙烯(PTFE)，纯度99.9%，沈阳无量科技有限公司；碳纤维(CF)，400目，上海联净有限公司；硅灰石(Wo)，针状20 μm，上海天函矿粉科技有限公司；硅油，分析纯，上海凌峰试剂有限公司；石英砂，纯度99%，韵沟联营有限责任公司。1.2仪器与设备平板硫化机，ZB-910，江苏正瑞泰邦电子科技有限公司；液压成型机，HHA-30T，东莞市寮步华晖液压机械厂；红外光谱仪，6700，美国Thermo-Nicolet公司；X射线衍射仪，SmartLab SE，日本Rigaku（理学）有限公司；差示扫描量热仪，SDT-Q600，美国Perkin Elmer公司；场发射扫描电镜，NOVA Nano SEM450，美国FEI公司；3D激光共聚焦显微镜，VK-X3000，日本基恩士有限公司；电子万能试验机，CTM2050，上海协强试验设备有限公司；洛氏硬度测试仪，HR-150C，莱州得川实验仪器有限公司；热机械分析仪，TMA/SDTA 2，上海梅特勒仪器有限公司；高速环块磨损试验机，MHR-3，山东保航机械设备制造有限公司。1.3样品制备表1为实验试样各组分组成。将一定量的Wo、CF和PTFE按照表1进行配比，充分混合成总质量为200 g的复合材料，置于160 mm×160 mm×2 mm模具中，将模具置于液压成型机中预热20 min，12 MPa压制成型，成型后在400 ℃的程控电炉箱中烧结2 h，在平板硫化机中快速压缩，切割后得到样品。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.07.001.T001表1实验试样各组分组成Tab.1Composition of each component of the test sample样品PTFECFWoPTFE20000PTFE+10%CF180200PTFE+20%CF160400PTFE+10%Wo+10%CF1602020PTFE+10%Wo180020PTFE+20%Wo160040gg1.4性能测试与表征FTIR测试：测试范围500~4 000 cm-1。XRD测试：辐射源铜靶，压力50 kV，电流30 mA，扫描范围为10°~90°。拉伸性能测试：按GB/T 1040—1992进行测试，拉伸速度10 mm/min。洛氏硬度测试：样品尺寸为80 mm×20 mm×2 mm，初始测试压力为99.1 kN，主测试压力为982.3 kN。TMA分析：负载100 mN，初始温度25 ℃，升温速度2 ℃/min，升至360 ℃后停止，随后进行降温消热，再次以同样的速度升温至360 ℃。DSC测试：N2气氛，加热速率10 ℃/min。环块摩擦性能测试：摩偶件是45#钢环（初始表面粗糙度相同），施加载荷220 kN，转速为300 r/min，室温，试验时间120 min。砂浆磨损性能测试：温度为30、60、90、120和150 ℃，转速为600 r/min，实验时间为120 min。2结果与讨论2.1复合材料结构分析图1为PTFE、PTFE+10%Wo+10%CF、Wo和CF的FTIR谱图。从图1可以看出，PTFE在1 220 cm-1和1 161 cm-1处的峰分别为PTFE中C—F键的对称和反对称振动峰；在561 cm-1和514 cm-1处的峰为C—F键变形振动形成的吸收峰[15]；550~710 cm-1的峰为Wo中Si—O—Si键的对称振动峰[16]；790~1 080 cm-1的峰，为Si—O对称伸缩振动峰和Si—O—Si键的反对称伸缩振动峰；1 430 cm-1处的峰为Wo中O—H键的吸收峰，说明Wo表面有较多的羟基。CF的峰形较为复杂，没有出现明显的规律。与PTFE相比，PTFE+10%Wo+10%CF在3 780 cm-1处有微弱的吸收峰，表明复合材料已经形成微弱的氢键[17]，可能是因为Wo表面的羟基与PTFE中的F形成微弱氢键，增加复合材料的稳定性。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.07.001.F001图1单一组分及复合材料的FTIR谱图Fig.1FTIR spectra of single component and composites图2为单一组分及复合材料的XRD谱图。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.07.001.F002图2单一组分及复合材料的XRD谱图Fig.2XRD patterns of single component and composites从图2可以看出，PTFE的主要衍射峰在18°，在31.5°和36.6°左右出现峰值较小的衍射峰，与纯PTFE的PDF标准卡一致。Wo在2.5°、24.1°和26.2°左右分别出现峰值较小的衍射峰，这些峰在PTFE+10%Wo+10%CF和PTFE+20%Wo中也存在，说明复合材料中存在Wo。CF的衍射峰较宽，CF的质量分数增加时，复合材料的PTFE的峰值减弱，说明复合材料中存在CF。2.2复合材料力学性能分析表2为纯PTFE及复合材料的力学性能。从表2可以看出，与纯PTFE相比，添加CF和Wo后，复合材料的弹性模量大幅度提升，表明复合材料抵抗形变的能力有效提升，抗磨损能力增强。PTFE+10%Wo+10%CF的弹性模量比PTFE+10%CF更高，仅次于PTFE+20%CF，说明Wo和CF可以较好地分散复合材料中，当受到外力作用时，可使不同的组分结合在一起，有效阻止PTFE基体因裂纹的扩展而发生破坏现象。添加CF和Wo后，复合材料拉伸强度发生降低，且无机材料组分占比越高，拉伸强度的下降幅度越大。添加10%Wo+10%CF时，复合材料的拉伸强度仅为19.2 MPa，可能是因为添加剂使PTFE基体自身的连续性下降，PTFE传递应力的效果减弱，导致复合材料拉伸强度的下降。添加CF后，复合材料的断裂伸长率明显下降，且含量越高下降越快。当添加10%Wo后，断裂伸长率较纯PTFE具有一定程度的提升，随着质量分数的增加反而出现下降。当Wo和CF协效改性时，断裂伸长率仅小于PTFE+10%Wo，断裂伸长率提升至242%。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.07.001.T002表2纯PTFE及复合材料的力学性能Tab.2Mechanical properties of pure PTFE and composites样品弹性模量/MPa拉伸强度/MPa断裂伸长率/%硬度（HRE）PTFE35931.921752.8PTFE+10%CF69128.120163.1PTFE+20%CF98216.16467.0PTFE+10%Wo+10%CF78819.224265.0PTFE+10%Wo62123.924751.3PTFE+20%Wo73121.220750.7加入20%CF后复合材料的硬度达到最大值67，添加10%Wo+10%CF后洛氏硬度为65，说明CF作为一种高模量的添加剂增强硬度效果明显。而添加10%CF和20%CF的两种复合材料洛氏硬度相差仅为3.9，表明加入少量的CF能够起到较好的增强硬度的效果，使复合材料抗切削能力明显增强，从而改善复合材料的耐磨损性能。因此，PTFE+10%Wo+10%CF改善复合材料的耐磨损性能最佳，说明Wo和CF协效作用在改善PTFE复合材料力学性能方面效果明显。2.3复合材料的DSC测试和TMA测试图3为纯PTFE及其复合材料的DSC曲线。表3为纯PTFE及其复合材料的热力学参数。从图3和表3可以看出，加入CF后，复合材料与纯PTFE相比结晶度更小。在加入10% Wo的情况下，复合材料的结晶度提升，达到32.21%；当Wo含量为20%时，又出现下降。这是因为少量针状Wo为PTFE熔体冷却结晶提供异相成核位点，但是当Wo含量更高时反而限制PTFE的冷却结晶。纯PTFE的Tg为307.9 ℃，添加CF和Wo后的复合材料Tg明显提高。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.07.001.F003图3纯PTFE及其复合材料的DSC曲线Fig.3DSC curves of pure PTFE and composites10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.07.001.T003表3纯PTFE及复合材料的热力学参数Tab.3Thermal properties of pure PTFE and composites样品Tg/℃熔点/℃结晶度/%平均线膨胀系数/10-4 ℃（40~180℃）PTFE307.932829.981.29PTFE+10%CF311.9327.927.291.51PTFE+20%CF312.1327.528.911.64PTFE+10%Wo+10%CF309.9328.228.711.63PTFE+10%Wo309.9328.132.211.68PTFE+20%Wo308.2328.226.311.72图4为纯PTFE及其复合材料的TMA曲线。从图4和表3可以看出，纯PTFE及其复合材料的平均线膨胀系数分布在(1.29~1.72)×10-4 ℃之间，添加Wo和CF后，复合材料的线膨胀系数明显高于纯PTFE的线膨胀系数。当温度达到300 ℃以上时，PTFE及其复合材料的线膨胀系数迅速上升。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.07.001.F004图4纯PTFE及其复合材料的TMA曲线Fig.4TMA curves of pure PTFE and composites2.4复合材料磨损性能分析图5为干摩擦下纯PTFE及其复合材料的摩擦系数随滑动距离的变化曲线。摩擦系数可以直观反应物体表面的粗糙程度，摩擦系数越大表面越粗糙。从图5可以看出，纯PTFE的摩擦系数较大，位于0.20~0.27之间，滑动距离还未到2 000 m时已经磨穿，总滑动距离是其他复合材料的一半左右，耐磨损性能差。PTFE+10%Wo、PTFE+20%Wo、PTFE+10%Wo+10%CF、PTFE+10%CF四种复合物的摩擦系数相比纯PTFE小很多，且滑动距离长，摩擦系数稳定在0.15~0.20之间。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.07.001.F005图5纯PTFE及其复合材料干摩擦时摩擦系数随滑动距离的变化Fig.5Variation of friction coefficient with sliding distance under dry friction of pure PTFE and its composites表4为纯PTFE及其复合材料干摩擦下的平均摩擦系数和体积磨损率测试结果。从表4可以看出，PTFE+10%CF和PTFE+20%CF相比，添加10%CF的复合材料平均摩擦系数较小，但体积磨损率却较大。因为添加CF的复合材料的表面性质具有“乱层石墨结构”的减摩性能[7]，且CF穿插在表面，会增加表面粗糙程度从而增大摩擦力。当CF含量为10%时，含量较低“乱层石墨结构”的减摩性能占据主导地位，平均摩擦系数较纯PTFE降低。当CF含量为20%时，较多CF穿插在表面增大复合材料的摩擦阻力，摩擦系数变大。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.07.001.T004表4纯PTFE及其复合材料干摩擦下的平均摩擦系数和体积磨损率Tab.4Average friction coefficient and volume wear rate of pure PTFE and its composites under dry friction样品平均摩擦系数体积磨损率/10-4［mm3‧（N·m）-1］PTFE0.241853PTFE+10%CF0.17923.8PTFE+20%CF0.2740.81PTFE+10%Wo+10%CF0.1743.11PTFE+10%Wo0.1991.23PTFE+20%Wo0.1790.71但是添加Wo的复合材料平均摩擦系数和体积磨损率都较低，这可能是Wo与PTFE表面的结合效果好，表面比较光滑，摩擦阻力小的缘故。纯PTFE的体积磨损率为853×10-4 mm3/(N‧m)，添加Wo和CF后，体积磨损率急剧下降，PTFE+10%CF降低幅度稍低，为23.8×10-4 mm3/(N‧m)。其他复合材料降低至5×10-4 mm3/(N‧m)以下，改善效果非常明显，但是PTFE+20%CF的断裂伸长率只有64%，与其他复合材料相距甚远。综合比较，改善效果最好的复合材料为PTFE+10%Wo+10%CF、PTFE+10%Wo和PTFE+20%Wo。图6为湿摩擦下纯PTFE及其复合材料的摩擦系数随滑动距离的变化曲线。从图6可以看出，与干摩擦实验相反，PTFE+10%Wo和PTFE+20%Wo在湿摩擦实验中摩擦系数较大，在0.30~0.35之间，这是由于Wo易溶于水，湿摩擦实验中会增大两个表面之间的摩擦力。而PTFE、PTFE+10%CF、PTFE+20%CF和PTFE+10%Wo+10%CF的摩擦系数较小，在滑动距离2 000 m后逐渐稳定，摩擦系数基本上都在0.17以下，PTFE+10%CF、PTFE+20%CF和PTFE+10%Wo+10%CF较纯PTFE摩擦系数更低。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.07.001.F006图6纯PTFE及其复合材料湿摩擦时摩擦系数随滑动距离的变化Fig.6Variation of friction coefficient with sliding distance during wet friction of pure PTFE and its composites表5为纯PTFE及复合材料湿摩擦下的平均摩擦系数和体积磨损率测试结果。从表5可以看出，除PTFE+10%Wo和PTFE+20%Wo，纯PTFE及其他复合材料的平均摩擦系数均下降，且PTFE+10%Wo和PTFE+20%Wo的体积磨损率分别增加至几百倍。说明亲水的Wo添加在复合材料中无法改善复合材料的耐磨性能。PTFE+10%CF、PTFE+20%CF和PTFE+10%Wo+10%CF在湿摩擦实验中平均摩擦系数和体积磨损率较小，依旧能够保持良好的改善性能，尤其是PTFE+10%Wo+10%CF，相比纯添加CF的复合物改善效果更好，平均摩擦系数和体积磨损率分别达到0.112×10-4 mm3/(N‧m)和5.34×10-4 mm3/(N‧m)，说明CF和Wo协效作用提高PTFE复合材料耐磨性能。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.07.001.T005表5纯PTFE及其复合材料湿摩擦下的平均摩擦系数和体积磨损率Tab.5Average friction coefficient and volume wear rate of pure PTFE and its composites under wet friction样品平均摩擦系数体积磨损率/10-4［mm3‧（N·m）-1］PTFE0.161511PTFE+10%CF0.1125.98PTFE+20%CF0.1389.48PTFE+10%Wo+10%CF0.1125.34PTFE+10%Wo0.411462PTFE+20%Wo0.3524313结论（1）通过FTIR谱图和XRD分析，复合材料出现Wo和CF的峰，表面改性剂已经和PTFE基体成功结合，且结合效果较好，其中，PTFE+10%Wo+10%CF出现微弱的氢键，可提高复合材料的稳定性。（2）10%Wo+10%CF的复合材料拉伸强度仅为19.2 MPa，断裂伸长率和纯PTFE相比提升至242%，加入20% CF的复合材料的硬度达到最大值67。综合分析，10% Wo+10% CF改善复合材料的力学性能最佳，Wo和CF协效作用改善PTFE复合材料力学性能效果明显。（3）添加改性剂Wo和CF后，复合材料的熔点和结晶度的量热性质与纯PTFE并无明显差异。但当Wo的含量为20%时，复合材料的线膨胀系数明显提升为1.72×10-4 ℃；当CF的含量为20%时，复合材料的Tg最高提升至312.1 ℃。（4）在干摩擦的情况下，PTFE+20%Wo的耐磨损性能改善效果最好，平均摩擦系数降至0.179，体积磨损率降至0.71×10-4 mm3/(N·m)；湿摩擦实验中，PTFE+10%Wo+10%CF的耐磨损改善效果最好，平均摩擦系数降至0.112，体积磨损率为5.34×10-4 mm3/(N‧m)。综合比较干湿两种场景，PTFE+10%Wo+10%CF的耐磨损性能最好。