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塑料作為摩擦件材料的優(yōu)點是它具有優(yōu)異的減摩耐磨性，抗化學腐蝕性，對異物的包容性、吸聲吸振性和自潤滑性。所以塑料在機器制造、交通運輸，化工和儀表業(yè)的摩擦系統(tǒng)中得到日益廣泛的應(yīng)用，它可以代替大量的貴重有色金屬，簡化加工工序，降低成本，提高勞動生產(chǎn)率，延長機器的使用壽命。摩擦性能主要是指材料的摩擦系數(shù)，磨耗性能主要是指在摩擦過程中，材料的表面不斷損失的。

 

塑料磨損試驗基本概念

 

磨損是物體相對運動時相互接觸表面的物質(zhì)不斷損失或產(chǎn)生殘余變形的現(xiàn)象。磨損是摩擦的必然結(jié)果，是決定材料壽命的重要因素磨損是多種因素相互影響的復(fù)雜過程。根據(jù)摩擦面損傷和破壞的形式，大致可分為∶黏著磨損、磨料磨損、接觸疲勞磨損（接觸疲勞）、微動磨損及腐蝕磨損、氣蝕、液體沖蝕等。

 

磨損類型在不同的條件下，可以發(fā)生轉(zhuǎn)化，由一種損傷機制變成另一種損傷機制。隨著滑動速度的加快，磨損類型由氧化磨損轉(zhuǎn)化為黏著磨損，又從黏著磨損轉(zhuǎn)化為氧化磨損，最終恢復(fù)為黏著磨損，磨損量也由小增大直至材料失效。故解決實際磨損問題時，要分析參與磨損過程的條件特性， 確定磨損類型，才能采取有效的措施，減少磨損。

 

PTFE在汽車中的應(yīng)用

 

PTFE（聚四氟乙烯，特氟龍）在汽車工業(yè)中應(yīng)用廣泛，主要得益于其耐高溫、耐化學腐蝕、絕緣性和低摩擦系數(shù)等特性。

 

它常用于發(fā)動機部件（如排氣系統(tǒng)墊圈、活塞環(huán)）、傳感器和連接器（確保電氣穩(wěn)定性）、燃油系統(tǒng)（燃油管、濾清器內(nèi)襯）以及排氣系統(tǒng)涂層（減少腐蝕）。此外，PTFE還用于軸承、滑軌（降低摩擦）、密封件（如發(fā)動機和變速箱密封）、防塵罩（保護電子部件）、高溫標識及空調(diào)系統(tǒng)（耐腐蝕、提高效率）。其優(yōu)異的性能顯著提升了汽車部件的耐用性和系統(tǒng)效率。

 

摩擦性能影響因素

 

工程塑料與金屬摩擦副對摩時，由于黏著作用會在摩擦副表面發(fā)生斷裂，小顆粒工程塑料從表面滑落下來，形成磨屑或者附著在對摩材料表面形成轉(zhuǎn)移膜。如圖1所示，在摩擦磨損試驗中，磨合階段過程中摩擦副間不斷有轉(zhuǎn)移膜的形成，當達到穩(wěn)定磨合階段時形成一層均勻致密的轉(zhuǎn)移膜。但在摩擦過程中轉(zhuǎn)移膜會受到填料、工作條件、表面織構(gòu)等因素的影響使得減摩抗磨效果達不到預(yù)期要求。

圖1 PTFE轉(zhuǎn)移膜形成機理

 

此外，測試條件、接觸幾何形狀和環(huán)境等因素對聚合物摩擦磨損行為的影響也需要更全面的了解，包括純PTFE及三種復(fù)合材料（玻璃纖維填充、青銅填充、碳填充）在不同載荷和速度下的摩擦磨損行為，為材料選擇提供依據(jù)。

 

圖2 磨耗試驗機示意圖

1. 摩擦系數(shù)的變化規(guī)律

實驗結(jié)果表明，純PTFE及其復(fù)合材料的摩擦系數(shù)均隨載荷增加而顯著降低（圖3）。例如，純PTFE在5 N載荷下的摩擦系數(shù)為0.76，而在30 N時降至0.127。

圖3 PTFE及其復(fù)合材料與不銹鋼的摩擦系數(shù)（滑動速度=0.32 m/s）

這一現(xiàn)象可通過粘彈性理論解釋：聚合物摩擦系數(shù)與載荷的關(guān)系符合方程μ = kN(n-1)（2/3 < n < 1），表明摩擦系數(shù)與載荷呈負相關(guān)。當載荷超過聚合物臨界值時，摩擦熱導(dǎo)致表面溫度升高，分子鏈松弛和剪切作用增強，反而可能加劇摩擦。此外，所有材料在速度增加時摩擦系數(shù)平均降低50%（圖4），說明速度提升可能通過改變界面熱力學狀態(tài)影響摩擦行為。

圖4 PTFE及其復(fù)合材料與不銹鋼的摩擦系數(shù)

2. 磨損性能的對比分析

磨損測試數(shù)據(jù)（表1、表2）顯示，填充材料顯著改善了PTFE的耐磨性：

 

純PTFE的比磨損率在10-7 mm³/N·m量級，表現(xiàn)出最高的磨損率。

 

復(fù)合材料的磨損率降低1-2個數(shù)量級：PTFE+17%GFR最低（10-9 mm³/N·m），PTFE+25%青銅和PTFE+35%C次之（10-8 mm³/N·m）。其中，玻璃纖維增強效果最佳，比純PTFE磨損率降低98%。

 

表1 PTFE及其復(fù)合材料在不同載荷和速度下測試時的質(zhì)量損失值

表2 PTFE及其復(fù)合材料在不同載荷和速度下測試時的比磨損率

3. 載荷與速度的影響機制

圖5 PTFE及其復(fù)合材料與不銹鋼的平均磨損率（對數(shù)刻度）（載荷=20 N）

 

速度不敏感性：在0.32-1.28 m/s范圍內(nèi)，速度變化對磨損率影響微弱（圖5）。例如，PTFE+35%C在1.28 m/s時的磨損率（3.23×10^-8 mm³/N·m）與0.32 m/s（3.90×10^-8 mm³/N·m）差異不足20%，說明摩擦熱未達到引發(fā)材料顯著軟化的閾值。

 

圖6 PTFE及其復(fù)合材料與不銹鋼的平均磨損率（對數(shù)刻度）（滑動速度=0.96 m/s）

圖7 PTFE及其復(fù)合材料比磨損率（對數(shù)刻度）隨載荷的變化（滑動速度=0.96 m/s）

 

 

載荷敏感性：磨損率對載荷變化表現(xiàn)出強依賴性（圖6、圖7）。例如，PTFE+17%GFR在30 N時的磨損率（6×10-9 mm³/N·m）比5 N時（3.63×10-8 mm³/N·m）降低83%，表明高載荷下增強材料的承載能力優(yōu)勢更顯著。但純PTFE在20 N后磨損率回升（圖6），可能與臨界表面能突破導(dǎo)致的塑性變形加劇有關(guān)。

 

4. 微觀機制與轉(zhuǎn)移膜作用

顯微觀察（圖8）揭示了材料磨損機制的差異：

圖8 5 N載荷和0.64 m/s速度下盤磨損表面的顯微照片：（a）PTFE，200倍，（b）PTFE+17%GFR，200倍，（c）PTFE+25%青銅，200倍，（d）PTFE+35%C，200倍

 

純PTFE與玻璃纖維增強PTFE形成均勻致密的轉(zhuǎn)移膜（圖8a-b），有效隔離對磨面直接接觸，這是其低磨損率的關(guān)鍵。

 

青銅/碳填充PTFE的轉(zhuǎn)移膜存在局部破裂（圖8c-d），填料顆粒可能破壞膜連續(xù)性，導(dǎo)致磨損率略高于玻璃纖維增強材料。

 

5. 材料性能排序與機理

綜合摩擦學性能排序為：PTFE+17%GFR > PTFE+25%青銅 > PTFE+35%C > 純PTFE。這一結(jié)果歸因于：

 

玻璃纖維通過提升機械強度和促進穩(wěn)定轉(zhuǎn)移膜形成，實現(xiàn)最優(yōu)耐磨性。

 

金屬/碳填料雖提高硬度，但可能因與基體界面結(jié)合較弱而限制性能提升。

 

純PTFE的分子鏈易剪切特性導(dǎo)致耐磨性最差，但自潤滑性使其在低載荷下仍具應(yīng)用價值。