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可溶性聚四氟乙烯摩擦温度与摩擦因数变化特性

    摩擦温度从30℃开始升高, 摩擦因数随之下降, 在30~60℃范围内摩擦温度对摩擦因数的影响最为明显。摩擦温度达到65℃时摩擦因数稳定, 在65~180℃范围内, 随着摩擦温度的升高摩擦因数处于稳定阶段。当摩擦温度达到180℃继续升高时, 摩擦因数开始上升, 210℃是摩擦因数的转折摩擦温度, 为保证相对稳定的摩擦因数, 摩擦温度不能超过210℃。摩擦因数的变化规律分析如下所述摩擦温度对可溶性聚四氟乙烯编织复合材料摩擦因数的影响主要通过影响其表面特性来影响摩擦因数, 其摩擦磨损性能在很大程度上取决于转移膜的热稳定性。图3中摩擦因数随摩擦温度的变化之所以出现两端高, 中间较大范围处于稳定的特性是因为在合适的条件下, 可溶性聚四氟乙烯编织复合材料摩擦过程中形成于对偶环上的转移膜性能 (厚度、均匀性、稳定性等) 能够达到良好的润滑效果。在65~210℃摩擦温度范围内转移膜的摩擦磨损特性处于动态稳定阶段。因此, 65~210℃的摩擦温度范围是可溶性聚四氟乙烯编织复合材料摩擦磨损性能的稳定区域, 摩擦副的摩擦温度保持在这一范围内能够保证关节轴承良好的润滑状态。另外, 工况变化, 摩擦因数的突变温度也会发生变化, 但就目前掌握的结论来看是二者没有一致的变化趋势, 一定载荷范围内会出现加大载荷, 摩擦因数突变温度反而升高的现象。在载荷20 MPa、频率20 Hz条件下分析不同摩擦温度下产生的转移膜, 图4a为30℃时对偶环的表面状态;图4b为100℃时对偶环的表面状态。明显可以看出, 30℃时对偶环上只有部分区域形成了少量的转移膜, 大部分面积没有转移膜, 100℃时则形成了均匀稳定的转移膜。显微分析结果表明, 试样与对偶环配副的摩擦磨损过程存在一个选择性转移状态, 摩擦初期或预磨阶段所发生的摩擦副界面变化形成了起润滑作用的转移膜和具有复杂摩擦特性的可溶性聚四氟乙烯编织复合材料表层结构。合适的载荷、速度、摩擦温度能够在较短时间形成均匀稳定的转移膜, 达到良好的摩擦性能并保持相对稳定的摩擦润滑状态。通过对磨损过程中产生的磨屑分析表明:转移膜的消耗途径主要是挤出, 挤出的部分由基体加以补充, 转移膜的稳定性就处于这种动态的稳定状态。当试样磨损到一定厚度, 剩余的材料不足以补充消耗量就会磨穿。从分子粘着理论分析, 随着摩擦温度的初步升高, 摩擦表面材料分子键的抗剪强度降低。当摩擦温度继续升高, 可溶性聚四氟乙烯编织复合材料的硬度和弹性模量开始急剧降低, 直到材料变形阻力的增加对摩擦因数的影响超过了分子键抗剪强度的降低对摩擦因数的影响, 摩擦因数开始增大。可溶性聚四氟乙烯编织复合材料摩擦因数由粘着摩擦因数1f和变形摩擦因数f2两部分组成式中f1o, f2——初始摩擦温度对应的粘着和变形摩擦因数α, γ——摩擦温度系数△θ——温升由上式可以看出摩擦温度升高对可溶性聚四氟乙烯编织复合材料的摩擦因数的影响成指数变化。由此同样可以判断滑动速度对摩擦因数的影响主要是通过摩擦温度的间接影响产生作用。速度增高直接引起表面温度的升高, 改变了材料的粘着和变形阻力。图5为载荷20 MPa、频率20 Hz条件下不同摩擦温度对应的可溶性聚四氟乙烯编织复合材料的磨损厚度随时间变化关系。通过图5中磨损厚度与摩擦温度随时间的变化关系可以看出, 摩擦温度在170℃以下时, 磨损厚度增加缓慢。当摩擦温度超过170℃时, 磨损厚度开始迅速增加。图6为磨损率与摩擦温度的关系曲线, 可以看出摩擦温度在70~130℃范围内, 磨损率不超过0.002 mm/h, 摩擦温度超过130℃, 磨损率逐渐增大, 到200℃时磨损率达到0.003 5 mm/h。为保证材料的耐磨性能, 200℃的摩擦温度值是保持低磨损率的极限摩擦温度。结合前面摩擦因数的突变摩擦温度210℃可以判断:要保证该可溶性聚四氟乙烯编织复合材料稳定的摩擦磨损性能, 其动态监测摩擦温度值不能超过200℃。图7为不同摩擦温度下磨屑的描电子显微照片。可以看出:摩擦温度为100℃时产生的磨屑为细小的片状, 在220℃时产生的磨屑为脱落的大片的增强纤维。可溶性聚四氟乙烯编织复合材料的磨损与摩擦温度的关系从以下两方面进行分析。(1) 可溶性聚四氟乙烯编织复合材料最高温度层在材料内部。摩擦过程中根据不同摩擦温度下产生的磨屑分析, 可溶性聚四氟乙烯编织复合材料摩擦过程中最高温度并不是在材料表面, 而是在距离表面一定厚度的层中。原因在于摩擦热的产生由两部分组成:一部分是机械能做功;另一部分是材料变形能。可溶性聚四氟乙烯编织复合材料发生变形的区域在内部, 由此造成变形能产生的热在内部聚集。表层机械能做功产生的热一部分由于与对偶环接触, 热量迅速通过热传导经摩擦环散失;另一部分则向材料内部传导。温度最高层也就是力学性能最弱的层, 在摩擦力往复作用下这一高温层最易发生剪切断裂, 因此根据磨屑形状特征能够从一定程度上反应高温层特点, 具体位置目前尚未有定论。图8a为可溶性聚四氟乙烯编织复合材料摩擦后的表面 (黑色区域) 和磨穿区域 (白色区域为底座) ;图8b为磨穿区域底座表面状态。可溶性聚四氟乙烯编织复合材料磨穿的主要原因分析如下:载荷、频率等导致摩擦表面温度升高, 较高的摩擦温度一方面导致局部可溶性聚四氟乙烯转移膜和材料表层的润滑性能下降, 局部区域磨损加剧, 另一方面使材料力学性能降低, 高温区域在剪切力作用下首先发生疲劳断裂, 造成该区域磨损加剧, 进一步导致局部摩擦温度升高, 最终该区域发生局部磨穿。通过对大量试样的摩擦磨损试验分析得出:在该可溶性聚四氟乙烯编织复合材料使用工况条件下, 摩擦热在试样磨穿失效过程中占主导作用, 在保证一定摩擦温度范围下, 该材料所具有的摩擦磨损性能足以保证其使用工况条件下足够长的使用寿命, 但是过高摩擦温度 (超过200℃) 极大地弱化了材料的摩擦磨损性能, 导致材料短时间内失效。

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