丁建华，王亚强，张光宇，祖大磊,2

( 1.洛阳矿山机械工程设计研究院 破碎筛分机械研究所，河南 洛阳 471039；2.燕山大学 极端条件下机械结构与材料科学国防重点学科实验室，河北 秦皇岛 066004)

织物型自润滑衬垫主要应用于航空自润滑关节轴承，其摩擦磨损性能对自润滑关节轴承的性能和寿命起着决定性作用[1-2]。文献[1，3]在衬垫的结构、摩擦对偶面材料和工况条件等方面对衬垫摩擦学性能的影响进行了大量的研究。但是，随着航空领域的发展，对自润滑衬垫的性能要求越来越苛刻，这就要求研究高性能自润滑衬垫[4]。

织物型自润滑衬垫本质上是一种纤维织物增强型聚合物基复合材料，其制造过程主要由织物的编织、浸渍树脂和烘干3个过程组成。在织物的编织时，一般选用聚四氟乙烯(PTFE)纤维为润滑材料，选用芳纶、玻璃纤维、聚酯和碳纤维等其中的一种或几种作为增强材料；织物浸渍选用的树脂主要有酚醛树脂、聚酰亚胺、环氧树脂等，浸渍树脂中还需要添加一些减摩耐磨颗粒。

织物型自润滑衬垫的摩擦磨损性能受到多种因素影响，其中制备衬垫的材料种类及其在衬垫中所占比例对衬垫的摩擦磨损性能有着重要的影响。下文研究了含有纳米颗粒的织物型自润滑衬垫的摩擦磨损性能，讨论了树脂含量及纳米颗粒对自润滑衬垫摩擦学性能的影响机理。由于试验中所用增强织物是一致的，因此，可以用衬垫的不同面密度来表征衬垫中不同的基体树脂含量，即面密度为347，472，617 g/m2。

1 试验

1.1 试验材料

Kevlar/PTFE织物是机织斜纹结构，选用Kevlar纤维作为增强纤维，PTFE纤维作为润滑纤维。浸渍树脂为某化工厂生产的酚醛树脂(铁锚204)，室温剪切强度不低于15 MPa，在200 ℃条件下不低于6 MPa。选用的纳米氧化钛和纳米氧化铝平均粒径为30 nm，在JEM-2010型透射电子显微镜(TEM)下的图像如图1所示。从图上可以看出，添加的纳米颗粒形状为球状，有团聚现象。纳米膨胀石墨为实验室自制。磨损试验所选用的上试样底材和下试样均为45#钢。

图1 纳米颗粒TEM图

1.2 衬垫及试样制备

将基体树脂质量1%的纳米颗粒加入到一定量的浸渍树脂的稀释剂中(无水乙醇∶乙酸乙酯=1∶1)，超声波振荡均匀分散。将含有分散好纳米颗粒的稀释剂倒入一定量的浸渍树脂中，磁力搅拌2h，超声波振荡1 h，使纳米颗粒在树脂中均匀分散。

Kevlar/PTFE织物经过处理(丙酮溶液中浸泡12 h，再蒸馏水煮沸15 min，最后用烘箱在110 ℃下烘干5 h)后，将织物放入配置好的浸渍树脂中浸渍，超声波振荡2 h。将浸渍好的织物放入烘箱中，在110 ℃条件下烘干2 h。将制备好的衬垫进行剪裁，使用酚醛树脂将剪裁好的衬垫试样粘贴在底材上，在压力为0.1 MPa，温度为180 ℃的条件下固化2 h，即制备出磨损试验试样。

1.3 摩擦磨损试验

衬垫的摩擦磨损试验在MM-200摩擦磨损试验机上进行。试验条件为：速度0.942 m/s，室温，载荷1 000 N，试验时间9 h。在试验过程中，摩擦系数由记录软件记录。为了降低试验数据的离散型，同一条件下做5组试验，然后取平均值。试验开始时，上、下试样之间形成线接触，试验结束后，衬垫的磨损表面为一弧面磨痕。因此，用游标卡尺测量衬垫磨痕的宽度b，测量3个位置，取平均值。应用(1)式和(2)式计算衬垫的磨损率K。

(1)

(2)

式中：R为下试环的半径，mm；P为施加载荷，N；B为衬垫的宽度，mm；L为试验过程中摩擦滑动距离，m。

1.4 磨损表面微观结构分析

通过电子扫描显微镜(KYKY-2800， HITACHI S-4800)对衬垫和磨损对偶面的磨损表面进行了观测。在观测前，为了使观测试样导电，在衬垫观测面做喷金处理。

2 结果与讨论

2.1 摩擦磨损性能

图2表明了当基体树脂中没有添加纳米颗粒时，不同面密度衬垫的摩擦系数随着试验时间的变化情况。从图中可以发现：

图2 不同面密度衬垫(未添加纳米颗粒)的摩擦系数随时间变化情况

(1)随着衬垫中基体树脂含量的增大，摩擦系数呈下降趋势。这说明，由于压缩力和摩擦剪力的作用，在衬垫磨损表面形成一层润滑覆盖层，基体树脂含量的增大有利于降低覆盖层的摩擦系数。

(2)当衬垫面密度为347 g/m2和617 g/m2时，摩擦系数相对较为稳定；但面密度为472 g/m2时，摩擦系数出现了上升阶段(标示A)。面密度为347 g/m2衬垫基体树脂含量相对较少，衬垫表面和内部的基体树脂含量差别不大，衬垫磨损表面的润滑覆盖层成分比例相对稳定，这可能使得衬垫摩擦系数比较恒定。面密度为617 g/m2衬垫基体树脂含量相对较多，衬垫磨损表面的润滑覆盖层由大量基体树脂和少量PTFE断裂纤维组成，由于衬垫表面基体树脂层较厚，在试验时间内润滑覆盖层组成变化不大，这使得衬垫摩擦系数较为稳定。面密度为472 g/m2衬垫表面基体树脂较为适中，试验过程中，衬垫磨损表面润滑覆盖层开始由较多基体树脂和断裂纤维组成，此时状态接近于面密度为617 g/m2衬垫摩擦状态；随着磨损增加，润滑覆盖层不断被消耗，磨损深度增大，导致润滑覆盖层中的基体树脂减少，又逐渐趋向于面密度为347 g/m2衬垫摩擦状态，因此，出现了摩擦系数的上升阶段。

图3表明了当基体树脂中添加有1%纳米氧化铝颗粒时，不同面密度衬垫摩擦系数随着试验时间的变化情况。从图中可以发现：

图3 不同面密度衬垫(添加纳米氧化铝)的摩擦系数随时间变化情况

(1)面密度为347 g/m2衬垫试验过程中摩擦系数相对平稳，整个过程呈下降趋势，这可能是由于衬垫内部纳米氧化铝的颗粒浓度较表层小，而且氧化铝团聚大颗粒不易进入浸渍到织物内部，随着覆盖层的形成和消耗，磨损深度逐渐增大，衬垫磨损表面的润滑覆盖层含有的纳米氧化铝颗粒减少。

(2)对于面密度为472 g/m2和617 g/m2衬垫，试验过程中摩擦系数短时间内波动较大，特别是阶段A摩擦系数波动较大，这可能是由于纳米氧化铝颗粒在衬垫表面基体树脂中更易团聚，大的团聚颗粒能够存在于衬垫表面基体树脂中，这使得衬垫摩擦过程中团聚颗粒和摩擦对偶面相互作用，导致摩擦系数波动较大。对于阶段B，衬垫磨损深度较大，但面密度为472 g/m2和617 g/m2衬垫的摩擦系数较面密度为347 g/m2衬垫摩擦系数波动大，这可能是由于在阶段A，纳米氧化铝对摩擦对偶面产生的损伤所致。

图4和图5分别表明了添加有1%纳米氧化钛和1%膨胀石墨下不同面密度自润滑衬垫的摩擦系数随时间的变化情况。与添加纳米氧化铝相同，随着基体树脂含量的增大，衬垫的摩擦系数减小；当衬垫基体树脂含量较大时(472 g/m2和617 g/m2)，添加有纳米氧化钛和膨胀石墨衬垫的摩擦系数较添加纳米氧化铝时更为稳定。而基体树脂含量的不同对衬垫摩擦过程中磨合时间的影响不大。

图4 不同面密度衬垫(添加纳米氧化钛)的摩擦系数随时间变化情况

图5 不同面密度衬垫(添加膨胀石墨)的摩擦系数随时间变化情况

图6为分别添加有纳米氧化铝、纳米氧化钛和纳米膨胀石墨，不同面密度的自润滑衬垫的磨损率。从图中可以看出：

图6 不同面密度衬垫的磨损率

(1)除了添加有膨化石墨的衬垫外，衬垫的磨损率随着面密度的增大而增大。这说明随着衬垫中基体树脂含量的增大，尤其是衬垫表面树脂覆盖层的增厚，衬垫的抗磨性能减弱，这是由于随着基体树脂含量的增大，增强织物的作用会弱化，尤其是在衬垫表面树脂覆盖层没有纤维织物时，会导致衬垫的抗磨性能下降，另一方面可能是由于基体树脂含量的增大，衬垫压缩弹性模量减少，使衬垫的磨损率增大。

(2)在不同面密度条件下，纳米氧化铝和纳米氧化钛的添加对提高衬垫的抗磨性能有着明显的效果，纳米膨胀石墨的添加则使得衬垫的抗磨性能降低。对于分别添加有纳米氧化钛和纳米氧化铝的衬垫，在面密度为472 g/m2时衬垫的磨损率较面密度为347 g/m2时有所增大，但增大程度不明显。

2.2 衬垫磨损表面微观结构

图7显示了添加1%纳米氧化钛的不同面密度衬垫的磨损表面微观形貌。从图中可以看出：

(1)图7a中，面密度为347 g/m2衬垫的磨损表面芳纶纤维完全裸露，这说明，此时芳纶纤维是衬垫润滑覆盖层的主要组成，完全参与摩擦磨损过程。

(2)图7b中，面密度为617 g/m2衬垫的磨损表面芳纶纤维磨损程度低于面密度为347 g/m2衬垫。衬垫表面仍然覆盖有一层树脂覆盖层，对衬垫磨损表面起到保护作用。

图7 不同面密度衬垫磨损表面SEM图像

3 结论

(1)自润滑衬垫中基体树脂的含量对衬垫的摩擦磨损性能有重要的影响, 存在一个较优的基体树脂含量范围，在此范围内，自润滑衬垫的摩擦系数和磨损率较低，综合摩擦学性能较优。

(2)当添加有纳米颗粒时，随着基体树脂含量的增大，纳米颗粒在基体树脂中团聚现象也趋于严重，这也导致了衬垫摩擦系数波动较大。添加纳米颗粒的性质对摩擦系数也有一定的影响，添加有纳米氧化钛衬垫的摩擦系数较为稳定，纳米氧化钛和纳米氧化铝的添加对衬垫抗磨性能改善也较为明显。

(3)纳米添加颗粒通过对衬垫磨损表面的影响，特别是对磨损表面润滑覆盖层的影响，对自润滑衬垫的摩擦磨损性能产生影响。在衬垫摩擦磨损过程中，随着衬垫的磨损消耗，会导致衬垫摩擦性能发生阶段性变化。