汽车滑块料滑动摩擦磨损试验影响因素研究

工程塑料与金属摩擦副对摩时，由于黏着作用会在摩擦副表面发生断裂，小颗粒工程塑料从表面滑落下来，形成磨屑或者附着在对摩材料表面形成转移膜。如图1所示，在摩擦磨损试验中，磨合阶段过程中摩擦副间不断有转移膜的形成，当达到稳定磨合阶段时形成一层均匀致密的转移膜。但在摩擦过程中转移膜会受到填料、工作条件、表面织构等因素的影响使得减摩抗磨效果达不到预期要求。

图1 PTFE转移膜形成机理

1. 摩擦系数的变化规律

实验结果表明，纯PTFE及其复合材料的摩擦系数均随载荷增加而显著降低（图3）。例如，纯PTFE在5 N载荷下的摩擦系数为0.76，而在30 N时降至0.127。

图3 PTFE及其复合材料与不锈钢的摩擦系数（滑动速度=0.32 m/s）

这一现象可通过粘弹性理论解释：聚合物摩擦系数与载荷的关系符合方程μ = kN^(n-1)（2/3 < n < 1），表明摩擦系数与载荷呈负相关。当载荷超过聚合物临界值时，摩擦热导致表面温度升高，分子链松弛和剪切作用增强，反而可能加剧摩擦。此外，所有材料在速度增加时摩擦系数平均降低50%（图4），说明速度提升可能通过改变界面热力学状态影响摩擦行为。

图4 PTFE及其复合材料与不锈钢的摩擦系数

2. 磨损性能的对比分析

磨损测试数据（表1、表2）显示，填充材料显著改善了PTFE的耐磨性：

• 纯PTFE的比磨损率在10^-7 mm³/N·m量级，表现出最高的磨损率。

• 复合材料的磨损率降低1-2个数量级：PTFE+17%GFR最低（10^-9 mm³/N·m），PTFE+25%青铜和PTFE+35%C次之（10^-8 mm³/N·m）。其中，玻璃纤维增强效果最佳，比纯PTFE磨损率降低98%。

表1 PTFE及其复合材料在不同载荷和速度下测试时的质量损失值

表2 PTFE及其复合材料在不同载荷和速度下测试时的比磨损率

3. 载荷与速度的影响机制

图5 PTFE及其复合材料与不锈钢的平均磨损率（对数刻度）（载荷=20 N）

• 速度不敏感性：在0.32-1.28 m/s范围内，速度变化对磨损率影响微弱（图5）。例如，PTFE+35%C在1.28 m/s时的磨损率（3.23×10^-8 mm³/N·m）与0.32 m/s（3.90×10^-8 mm³/N·m）差异不足20%，说明摩擦热未达到引发材料显著软化的阈值。

图6 PTFE及其复合材料与不锈钢的平均磨损率（对数刻度）（滑动速度=0.96 m/s）

图7 PTFE及其复合材料比磨损率（对数刻度）随载荷的变化（滑动速度=0.96 m/s）

• 载荷敏感性：磨损率对载荷变化表现出强依赖性（图6、图7）。例如，PTFE+17%GFR在30 N时的磨损率（6×10^-9 mm³/N·m）比5 N时（3.63×10^-8 mm³/N·m）降低83%，表明高载荷下增强材料的承载能力优势更显著。但纯PTFE在20 N后磨损率回升（图6），可能与临界表面能突破导致的塑性变形加剧有关。

4. 微观机制与转移膜作用

显微观察（图8）揭示了材料磨损机制的差异：

图8 5 N载荷和0.64 m/s速度下盘磨损表面的显微照片：（a）PTFE，200倍，（b）PTFE+17%GFR，200倍，（c）PTFE+25%青铜，200倍，（d）PTFE+35%C，200倍

• 纯PTFE与玻璃纤维增强PTFE形成均匀致密的转移膜（图8a-b），有效隔离对磨面直接接触，这是其低磨损率的关键。

• 青铜/碳填充PTFE的转移膜存在局部破裂（图8c-d），填料颗粒可能破坏膜连续性，导致磨损率略高于玻璃纤维增强材料。

5. 材料性能排序与机理

综合摩擦学性能排序为：PTFE+17%GFR > PTFE+25%青铜 > PTFE+35%C > 纯PTFE。这一结果归因于：

• 玻璃纤维通过提升机械强度和促进稳定转移膜形成，实现最优耐磨性。

• 金属/碳填料虽提高硬度，但可能因与基体界面结合较弱而限制性能提升。

• 纯PTFE的分子链易剪切特性导致耐磨性最差，但自润滑性使其在低载荷下仍具应用价值。

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