在具有活動(dòng)部件的機(jī)械系統(tǒng)中，摩擦?xí)黾幽芰肯膹亩鴮?dǎo)致表面材料的降解。因此最大限度地減少摩擦是一個(gè)很重要的目標(biāo)，而材料的正確選擇是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的關(guān)鍵因素。聚四氟乙烯（PTFE）正是這樣的材料，它固有的摩擦很低，在某些情況下可以替代液體潤(rùn)滑（例如在高真空或超潔凈的環(huán)境中）。但是，為了在摩擦下保持足夠的耐久性，PTFE低的機(jī)械強(qiáng)度和耐磨性的問(wèn)題必須被解決。

    PTFE的機(jī)械性能可以通過(guò)各種添加劑來(lái)增強(qiáng)。在這些添加劑中，碳納米管（CNTs）作為復(fù)合材料的增強(qiáng)材料，具有許多吸引人的特性（例如高的強(qiáng)度、硬度和熱導(dǎo)率）。以前的研究已經(jīng)證明，CNTs能有效地改善塊狀PTFE/ CNT復(fù)合材料的摩擦和磨損性能。然而，把PTFE / CNT作為涂料使用，目前還沒(méi)有受到重視。與塊狀PTFE相比，PTFE涂層更具成本效益，而且當(dāng)它應(yīng)用到某些機(jī)械部件（例如齒輪和軸）中，部件的承載性能也會(huì)得到很好的提升。

    于是，我們通過(guò)制造各種PTFE / CNT標(biāo)本，研究了在PTFE涂層中使用碳納米管作為潛在增強(qiáng)材料的效果。然后，我們?cè)诓煌?fù)載條件下評(píng)估了涂料的摩擦學(xué)性能，在不同的碳納米管含量和熱處理工藝下，測(cè)試了它們的耐磨損性能。為了制造聚PTFE/ CNT復(fù)合材料，我們將PTFE與4種不同濃度的CNT溶液混合（1、2、5和10wt％），然后旋涂這些復(fù)合材料的液相分散體到硅基底上來(lái)測(cè)試材料作為涂層的性能。旋涂后，我們通過(guò)退火來(lái)增強(qiáng)了涂層的機(jī)械性能。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，我們加熱試樣至400℃，并在爐中維持35分鐘。然后在兩個(gè)不同的條件下冷卻試樣至室溫。第一個(gè)條件是試樣在室溫下冷卻約15分鐘。第二個(gè)條件是在爐中緩慢冷卻樣品約5小時(shí)。

    我們使用掃描電子顯微鏡來(lái)檢測(cè)我們的PTFE/ CNT復(fù)合材料，基于這些圖像，我們進(jìn)行了涂層的形態(tài)學(xué)分析。這一分析表明，PTFE纖維的直徑受冷卻速率的影響。我們發(fā)現(xiàn)，更快的冷卻速率會(huì)更容易導(dǎo)致樹突狀結(jié)構(gòu)的形成，而且其直徑比緩慢冷卻的小得多。此外，CNT相對(duì)高的熱導(dǎo)率意味著它們的加入引起了更大的冷卻速度，從而導(dǎo)致PTFE的平均纖維直徑進(jìn)一步減小。

    為了模擬機(jī)械部件與表面接觸的應(yīng)力，我們進(jìn)行了PTFE/ CNT涂層的滑動(dòng)測(cè)試。在這些試驗(yàn)中，我們采用了往復(fù)運(yùn)動(dòng)型摩擦試驗(yàn)機(jī)，將試樣貼著不銹鋼球（直徑1.6毫米）滑動(dòng)1000個(gè)周期，負(fù)載為5Nm和20Nm。根據(jù)這些測(cè)試的結(jié)果，我們發(fā)現(xiàn)，碳納米管的加入引起了摩擦系數(shù)的降低，在緩慢冷卻含1wt％的碳納米管的樣品時(shí)，摩擦系數(shù)從0.16（純PTFE）下降到0.11。當(dāng)CNT含量較高時(shí)，摩擦系數(shù)稍微升高。這表明，樹突狀纖維的厚度對(duì)摩擦系數(shù)產(chǎn)生了顯著影響，具有較薄的纖維會(huì)引起更大的摩擦力。我們將此歸因于纖維纏結(jié)增加，這使得較薄纖維不太可能會(huì)彼此分離，于是便產(chǎn)生了一個(gè)稍高的摩擦力。

    接下來(lái)，我們使用了三維激光顯微鏡來(lái)評(píng)估涂層的磨損行為（通過(guò)測(cè)量滑動(dòng)試驗(yàn)后試樣的磨損量）。我們得到的兩個(gè)三維激光顯微鏡圖像如圖1所示。這些測(cè)試結(jié)果表明，在添加CNT后PTFE涂層的磨損率顯著降低，5Nm負(fù)載下的樣品磨損率從1.7E-4立方毫米/牛頓米（純PTFE）下降到了0.4E-4立方毫米/牛頓米（含5wt％的CNT）。我們發(fā)現(xiàn)，PTFE / CNT復(fù)合涂層的磨損率也取決于冷卻速率和外加負(fù)載（參見(jiàn)圖2）。5Nm負(fù)載下復(fù)合涂層的磨損率通常低于20Nm負(fù)載下復(fù)合涂層的磨損率。在5Nm的負(fù)載下，慢冷卻C5（即5％wt的CNT）樣品達(dá)到了最低磨損率，在20Nm負(fù)載下，慢冷卻C1（1wt％的CNT）樣品才能達(dá)到最低磨損率。我們把此結(jié)果歸因于PTFE纖維間內(nèi)聚力的降低，以及涂層和基層之間的界面粘附力的降低。應(yīng)當(dāng)注意的是，在20Nm負(fù)載情況下，我們無(wú)法獲得C5和C10樣品的磨損率，原因是難以從嚴(yán)重失真的表面形態(tài)上建立基地參考平面。

    圖1  （a）純PTFE和（b）C1（5h）標(biāo)本在20Nm負(fù)荷下的磨痕三維激光顯微鏡圖像。

    圖2  自然冷卻（NC）和慢速冷卻（五個(gè)小時(shí)）的聚四氟乙烯/碳納米管（PTFE / CNT）復(fù)合涂層試樣的磨損率對(duì)比圖。PTFE基中含1、2、5和10％（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的CNT，分別稱為C1、C2、C5和C10，在不同的負(fù)載條件下（即5Nm和20Nm）進(jìn)行了1000次循環(huán)測(cè)試。純PTFE涂層（P0）也進(jìn)行了測(cè)試。Nm：牛頓米。

    綜上所述，我們以涂層形式制備了PTFE / CNT復(fù)合材料，通過(guò)旋涂方式分散到硅基片上。我們發(fā)現(xiàn)，這種復(fù)合材料的PTFE纖維的直徑可以通過(guò)控制熱處理過(guò)程和冷卻時(shí)間來(lái)改變。此外，我們的研究表明，聚四氟乙烯涂層的磨損可以通過(guò)添加碳納米管和使用特定的退火條件來(lái)改善，最佳CNT濃度（即達(dá)到最低的磨損率要求的重量百分比）依賴于負(fù)載條件。根據(jù)我們的研究，我們希望通過(guò)PTFE /CNT復(fù)合涂層來(lái)減少機(jī)械部件的摩擦磨損。在我們未來(lái)的工作中，我們希望開發(fā)使涂層材料與基材之間粘合的方法，并進(jìn)一步優(yōu)化涂覆方法。

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