聚合物復(fù)合材料摩擦界面遷移過程的數(shù)值模擬研究.pdf

1、聚合物材料在與金屬對偶件滑動接觸時,會在摩擦界面上發(fā)生界面遷移,導(dǎo)致在金屬對偶件表面形成一層轉(zhuǎn)移膜。轉(zhuǎn)移膜的存在能夠有效地降低聚合物材料的磨損。研究發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)移膜的形成是由于機械嵌合、物理和化學(xué)鍵合等綜合作用使得聚合物在接觸的金屬表面發(fā)生粘附并逐漸擴展,最后形成較均勻完整的轉(zhuǎn)移膜。轉(zhuǎn)移膜在形成與長大過程中,始終伴隨著局部脫落和再修復(fù)過程,當(dāng)形成較完整的轉(zhuǎn)移膜后便處于動態(tài)平衡狀態(tài)。但實驗研究很難動態(tài)觀察和再現(xiàn)聚合物材料摩擦磨損過程中轉(zhuǎn)移膜的動

2、態(tài)形成過程,而這一過程對于實現(xiàn)轉(zhuǎn)移膜的有效控制和摩擦學(xué)性能優(yōu)化至關(guān)重要,也是實現(xiàn)摩擦性能調(diào)控的關(guān)鍵問題。有鑒于此,本文選用基于離散元開發(fā)的二維顆粒流程序(PFC2D)對PTFE/45鋼摩擦磨損進行建模和模擬,系統(tǒng)研究了45鋼表面粗糙度對PTFE摩擦轉(zhuǎn)移與磨損規(guī)律的影響,填料含量對Cu/PTFE復(fù)合材料摩擦性能的影響及PTFE基體顆粒在摩擦磨損過程中的運動規(guī)律,從微觀層面上再現(xiàn)PTFE/45鋼摩擦界面遷移的動態(tài)過程,定量地描述轉(zhuǎn)移、磨損等

3、問題,對聚合物復(fù)合材料的摩擦轉(zhuǎn)移研究具有指導(dǎo)意義。主要研究結(jié)論如下:
　　(1)PTFE/45鋼摩擦磨損過程模擬顯示,靠近摩擦界面的PTFE顆粒從基體脫落,一部分作為轉(zhuǎn)移顆粒吸附在45鋼表面,形成PTFE轉(zhuǎn)移顆粒層;一部分作為磨損顆粒被排出摩擦界面。且在摩擦磨損初始階段,轉(zhuǎn)移顆粒數(shù)逐漸增大,一段時間后隨著轉(zhuǎn)移顆粒層的形成與完整,轉(zhuǎn)移顆粒數(shù)趨于一個定值且保持動態(tài)平衡,表明轉(zhuǎn)移顆粒層已達到穩(wěn)定平衡階段,并伴隨著局部的脫落與再修復(fù)。隨著

4、轉(zhuǎn)移顆粒層(轉(zhuǎn)移膜)的形成與穩(wěn)定,PTFE基體磨損速率顯著下降,并維持在一個穩(wěn)定的磨損速率。
　　(2)對45鋼表面粗糙度(Rz=0.3~1.5μm)對PTFE摩擦轉(zhuǎn)移與磨損規(guī)律的影響研究表明:45鋼表面粗糙度對PTFE的轉(zhuǎn)移顆粒和磨損顆粒具有一定的影響。在一定的范圍內(nèi)(Rz=0.3~1.2μm),轉(zhuǎn)移顆粒數(shù)隨著Rz值的增加而增加較明顯,但當(dāng)Rz值增大到一定值(Rz=1.2μm)后,轉(zhuǎn)移顆粒數(shù)隨著Rz值的增大而增加的趨勢較之Rz=

5、0.3~1.2μm時小。而磨損顆粒數(shù)普遍隨著Rz值的增加而增加,但在Rz=0.9μm時出現(xiàn)最大磨損顆粒數(shù)。
　　(3)對填料含量對Cu/PTFE復(fù)合材料摩擦性能研究表明:填料Cu的加入一方面促進了轉(zhuǎn)移顆粒層的形成,提高了轉(zhuǎn)移顆粒層與對偶表面的粘結(jié)強度;另一方面提高了復(fù)合材料整體強度,對顆粒的轉(zhuǎn)移產(chǎn)生了一定的抑制作用。在Cu含量為20％時,PTFE基復(fù)合材料最終轉(zhuǎn)移顆粒數(shù)最多,當(dāng)Cu含量為50%時,轉(zhuǎn)移顆粒最少。同時填料Cu的加入降

6、低了PTFE基復(fù)合材料的磨損,且隨著Cu含量的增加,減磨效果越來越好。當(dāng)Cu含量達到50%時,PTFE基復(fù)合材料的磨損顆粒數(shù)較純PTFE減少了近一半。
　　(4)對PTFE基體顆粒在摩擦磨損過程中的運動規(guī)律研究表明:PTFE基體內(nèi)部顆粒在材料摩擦磨損過程中,會在水平方向和豎直方向發(fā)生運動,且其運動范圍主要發(fā)生在PTFE摩擦過程所形成的類流層中。顆粒在水平位置的運動方向主要與下試樣45鋼的運動方向保持一致性,即PTFE基體內(nèi)部的顆粒