对偶面激光表面织构化对纯聚四氟乙烯及25 wt.%玻璃纤维/聚四氟乙烯复合材料干滑动摩擦学行为的影响

《Polymers》：Effect of Counter-Surface Texturing on the Tribological Behavior of Virgin and Glass-Filled Polytetrafluoroethylene During Sliding Against Grey Cast Iron

　　

在本项研究工作中，研究人员系统考察了激光表面织构化对25 wt.%玻璃纤维增强聚四氟乙烯复合材料与灰口铸铁对磨时摩擦学性能的影响。研究人员采用激光烧蚀工艺在灰口铸铁表面加工出直径为50 μm的凹坑，凹坑间距分别设置为100 μm与150 μm。在环境条件下，利用销-盘式往复滑动摩擦磨损试验机开展摩擦与磨损试验。研究结果表明，无论对偶灰口铸铁表面是否织构化，纯聚四氟乙烯及其复合材料的比磨损率均随滑动距离增加而普遍降低；纯聚四氟乙烯的摩擦系数呈相似变化趋势，而25 wt.%玻璃纤维/聚四氟乙烯在织构化灰口铸铁表面滑动时摩擦系数反而升高。与未织构化灰口铸铁相比，纯聚四氟乙烯在凹坑间距为150 μm的织构化灰口铸铁表面滑动时，摩擦系数与比磨损率分别降低14.2%–16.7%；对于25 wt.%玻璃纤维/聚四氟乙烯，激光表面织构化虽使摩擦增大，但使比磨损率显著降低66.6%–73.2%。将凹坑间距由100 μm增大至150 μm，可进一步降低摩擦系数与磨损。对纯聚四氟乙烯滑动后的织构化灰口铸铁表面进行场发射扫描电子显微镜（Field Emission Scanning Electron Microscopy, FESEM）观察，发现聚合物碎屑沉积并形成转移膜，从而对降低摩擦与磨损作出贡献。上述发现凸显了激光表面织构化在改善聚四氟乙烯基材料摩擦学性能方面的潜力，尤其在通过表面织构化优化耐磨性与摩擦控制方面具有重要意义。

在食品/饮料与药品加工和包装、汽车喷漆、纺织加工以及化工与石化处理等领域，空气必须保持无污染，因此这些行业对无油往复式空气压缩机的需求持续增长。无油压缩机的核心部件为灰口铸铁（Grey Cast Iron, GCI）气缸与聚四氟乙烯（Polytetrafluoroethylene, PTFE）基活塞环，二者在接触界面同时承担密封与润滑功能。PTFE虽为自润滑材料且摩擦系数低，但固有缺陷是磨损率高。研究人员已通过微/纳米填料增强显著改善了PTFE的耐磨性，且玻璃纤维与碳纤维填充PTFE微复合材料已实现商业应用，但性能的持续改进仍是研究人员的追求目标。激光表面织构化（Laser Surface Texturing, LST）是改善摩擦学性能（即摩擦、磨损与润滑特性）的重要手段，其最常见的早期应用即商业气缸套的珩磨工艺。与振动轧制、反应离子蚀刻、磨料喷射加工、光刻及异性蚀刻等技术相比，LST在微/纳米尺度上可对图案形状与尺寸实现精确控制，加工时间短且无环境问题，并适用于金属、陶瓷与聚合物等不同材料类别。然而，现有研究大多聚焦润滑条件下金属或陶瓷摩擦副，针对PTFE基复合材料与灰口铸铁组成的聚合物-金属摩擦副在干滑动条件下的摩擦学行为关注有限，且玻璃纤维增强与不同纹理密度的组合影响尚未被充分揭示。这正是本研究的出发点。

为此，研究人员系统考察了不同凹坑间距的激光表面织构化对纯PTFE与25 wt.%玻璃纤维/PTFE复合材料-灰口铸铁摩擦副干滑动摩擦学行为的影响，并结合表面表征技术分析了磨损机制与转移膜形成规律，研究结论对无油压缩机活塞环等自润滑部件的选材与表面设计具有指导意义。

关键技术方法概括：研究人员采用波长532 nm的绿色激光（脉冲宽度2.5 ns、频率10 kHz）在灰口铸铁表面加工直径与平均深度均为50 μm的半球形凹坑，设100 μm与150 μm两种凹坑间距，乙醇超声清洗后保持加工态使用；采用销-盘式往复滑动摩擦磨损试验机在环境条件下（室温23±1 °C）开展试验，恒定法向载荷10 N、行程5 mm、频率10 Hz、单次时长30 min（对应滑动距离180 m），以180 m为步长递增至540 m；试验按Taguchi L18正交表设计，基于信噪比（Signal-to-Noise Ratio, S/N）分析与方差分析（Analysis of Variance, ANOVA）统计处理；磨损表面采用场发射扫描电子显微镜（Field Emission Scanning Electron Microscopy, FESEM）与光学显微镜表征。试样来源于印度采购的商业化灰口铸铁棒料（加工为盘试样）与PTFE及25 wt.%玻璃纤维/PTFE棒料（加工为锥形销试样）。

3.1 摩擦分析：摩擦磨损试验表明，纯PTFE的平均摩擦系数随滑动距离增加而降低，与对偶面表面形貌无关，其中对150 μm凹坑间距织构化灰口铸铁的摩擦系数最低，其次为100 μm间距和未织构化表面；540 m时纯PTFE对150 μm间距表面的摩擦系数由0.18降至0.15。25 wt.%玻璃纤维/PTFE的规律不同：未织构化灰口铸铁上摩擦系数最低，先由0.21降至0.20后保持稳定；织构化表面上摩擦系数先降后升，540 m时达0.25（100 μm间距）与0.22（150 μm间距）。

3.2 磨损分析：两种材料的磨损率均在10^?7–10^?8 mm³/Nm量级，处于轻微磨损（mild wear）状态；比磨损率均随滑动距离增加而降低，纯PTFE对150 μm间距织构化灰口铸铁的比磨损率最低，初始阶段（至360 m）对100 μm间距表面的磨损率低于未织构化表面，540 m时则反超；25 wt.%玻璃纤维/PTFE同样对150 μm间距表面磨损率最低，其后依次为100 μm间距与未织构化表面。

3.3 磨损表面分析：FESEM观察显示，纯PTFE滑动后所有灰口铸铁对偶面均发生PTFE转移，其中150 μm间距织构化表面形成薄而牢固的转移膜，这是其摩擦与磨损降低的原因；100 μm间距与未织构化表面仅见高沉积。纯PTFE磨损面在150 μm间距对偶面上仅现轻微磨痕，其余对偶面则出现高磨损。25 wt.%玻璃纤维/PTFE对未织构化灰口铸铁发生材料转移，织构化表面无转移但见纹理变形；其磨损面呈磨粒磨损与粘着磨损并存特征，硬玻璃纤维与织构化凹坑边缘交互引发局部犁削与机械咬合，使摩擦升高，但磨损仍保持低位。

3.4 信噪比分析（Taguchi方法）：S/N分析确定最优因子组合：最小化COF为纯PTFE、540 m滑动距离、150 μm凹坑间距；最小化磨损率为25 wt.%玻璃纤维/PTFE、540 m、150 μm间距。玻璃纤维含量为影响COF与磨损率的最显著因子，其次为凹坑间距与滑动距离。

3.5 方差分析（ANOVA）：在95%置信水平下，玻璃纤维含量对COF贡献56.43%、对磨损率贡献77.72%，均为最显著因素；滑动距离分别贡献5.84%与10.27%，凹坑间距分别贡献6.11%与3.02%；玻璃纤维含量与凹坑间距的交互作用对COF贡献15.04%、对磨损率贡献4.43%，均达显著水平。

讨论与结论总结：本研究证明激光表面织构化是调控材料摩擦学特性的有效途径。织构化对偶面可改善纯PTFE的摩擦与磨损特性，但织构几何参数须重点考量：本研究中150 μm凹坑间距优于100 μm凹坑间距。织构化金属对偶面可通过牢固转移膜的形成改善软聚合物的摩擦学特性，但对硬填料（玻璃纤维）增强的聚合物并不适用，因玻璃纤维与微织构灰口铸铁表面的交互作用导致摩擦增大。研究人员同时指出，凹坑直径与深度预计亦将影响摩擦学性能，优化纹理几何参数有望带来进一步改进；实际应用中摩擦加热可能改变PTFE的力学性能与转移膜稳定性，应在更真实的运行工况下开展进一步研究。