摘　要：通过机械搅拌和超声分散制备了纳米Al₂O₃填充聚四氟乙烯(PTFE)复合材料。研究了Al₂O₃用量、表面改性等因素对复合材料密度、硬度、力学性能、摩擦磨损等性能的影响。结果表明：当改性Al₂O₃的质量分数小于5％时，复合材料的拉伸强度、硬度要高于相同用量未改性Al₂O₃填充的复合材料；对改性Al₂O₃，当其质量分数为1％和9％时，复合材料的磨耗量较纯PTFE分别下降了55倍和286倍，而对未改性Al₂O₃，当其质量分数为1％和9％时，复合材料的磨耗量较纯PTFE分别下降了7倍和420倍；复合材料的密度与Al₂O₃的用量，表面是否经KH560改性关系不大；复合材料的摩擦因数随Al₂O₃用量的增加先减小后增大，对未改性Al₂O₃，当其质量分数为1％时，复合材料具有低摩擦因数，而对于改性Al₂O₃，当其质量分数为3％时，复合材料具有低摩擦因数。
关键词：聚四氟乙烯；复合材料；力学性能；摩擦磨损

　　聚四氟乙烯(PTFE)树脂具有优异的耐高低温、耐腐蚀、耐老化、高绝缘、不黏等性能，但由于其尺寸稳定性差、导热性能差、蠕变大、硬度低，尤其是在载荷下易磨损，使它在机械承载、摩擦磨损和密封润滑等领域的应用受到限制。因此为了拓展PTFE的应用领域，需要对其填充改性，即利用填充粒子硬度大、耐磨、尺寸稳定、导热性好等优点来改善PTFE的缺陷。常用的填充材料包括玻璃纤维、碳纤维、青铜粉、石墨、炭黑、各种陶瓷粉以及一些耐高温有机物等。目前，纳米粒子由于具有小尺寸效应、表面与界面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应，正逐渐引起人们的注意，被用来填充PTFE树脂，制备高性能的PTFE复合材料。
　　本文在前人研究的基础上，继续探讨了高性能纳米粒子(Al₂O₃)填充PTFE复合材料的制备和性能。对复合材料的密度、硬度、力学性能、摩擦磨损等性能进行了研究。

1　实验部分

1.1　原料和试剂
　　PTFE：平均粒径50μm，山东东岳高分子材料有限公司；Al₂O₃：平均粒径60 nm，上海水田材料科技有限公司；γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷：KH560，深圳市优越昌浩科技有限公司；无水乙醇：分析纯，杭州高晶精细化工有限公司。
1.2　KH560改性纳米氧化铝
　　称取0.4 g KH560溶入200 mL乙醇中，搅拌10min后，往其中加入10 g纳米Al₂O₃，25～35℃ 超声搅拌4 h，过滤除去溶剂，固体经100 ℃烘干4 h即可。
1.3　PTFE／Al₂O₃复合材料的制备
　　称取一定量的纳米Al₂O₃(表面经KH560改性或未改性)，加入到PTFE中，手搅10 min，往其中加入无水乙醇，超声并机械搅拌30 min，接着过滤回收乙醇，固体则经100 ℃烘干4 h。Al₂O₃在复合材料中的质量分数分别为1％、3％、5％、7％和9％。制备好的复合材料又经冷压成型―烧结成型―毛坯制品―锯割―打磨等过程，制备成测试样品。
1.4　复合材料的性能测试
　　拉伸性能：按照HG／T 2902-1997标准测试，拉伸速率10 mm／min；磨损性能：按照GB／T 3960-1983标准测试，转速200 r／min，干摩擦，对偶件硬度为HRC的45^#钢环，摩擦表面粗糙度R_a为0.08~0.12 μm，磨损时间为120 min，载荷200 N，用万分之一天平测量试样磨损前后的质量，根据摩擦磨损过程中记录的摩擦力矩计算试样的摩擦因数；硬度：按照GB／T 2411-1980标准测试；密度：按照GB1033-1986标准测试。

2　结果与讨论

2.1　Al₂O₃用量PTFE／Al₂O₃复合材料的拉伸性能的影响

　　图1为纳米Al₂O₃用量对PTFE／Al₂O₃复合材料拉伸性能的影响(数据见表1)。由图1a可以看出，随着纳米粒子的加入，复合材料的拉伸强度都会有所下降，这是因为纳米粒子填充到FFFE基体中，它会阻碍基体大分子链的运动，使复合材料内部缺陷增多，同时纳米粒子会产生应力集中，也导致了复合材料拉伸强度下降。当纳米粒子质量分数小于5％时，改性纳米Al₂O₃填充的复合材料的拉伸强度比未改性纳米Al₂O₃复合材料的拉伸强度要高，这是因为纳米粒子经改性后，表面能会降低，与PTFE混合时分散更加均匀。但当纳米粒子质量分数大于5％时，改性前后两种Al₂O₃填充的复合材料其拉伸强度值却相差不大，这与纳米粒子数量增多，不管它们是否改性，在FFFE中分布趋于一致有关。由图1b可以看出，复合材料的断裂伸长率与拉伸强度一样，均随着纳米粒子的加入较纯PTFE发生下降。
2.2　Al₂O₃用量PTFE／Al₂O₃复合材料硬度的影响

　　PTFE／Al₂O₃复合材料的硬度与Al₂O₃用量的关系如图2(数据见表1)。由图2可知，随着纳米粒子的填充，复合材料的硬度较纯PTFE增加，这是因为Al₂O₃为硬质材料，在复合材料中起到分散和传递载荷的作用，能较好地增加材料的硬度。同样当Al₂O₃的用量较低时(1％、3％)，改性后Al₂O₃填充的复合材料其硬度值要大于未改性Al₂O₃填充复合材料的硬度值，而当Al₂O₃的用量继续增加时，两种复合材料的硬度值则趋于一致。
2.3　Al₂O₃用量对PTFE／Al₂O₃复合材料密度的影响

　　PTFE／Al₂O₃复合材料的密度与Al₂O₃用量的关系如图3(数据见表1)。由图3可知，复合材料的密度在2.07～2.15 g／cm³之间，与纯PTFE相差不大，并且与Al₂O₃的质量比和其表面是否经KH560改性关系也不大。
2.4　Al₂O₃用量对PTFE／Al₂O₃复合材料摩擦磨损性能的影响
　　PTFE／Al2O3复合材料磨耗量与Al₂O₃用量的变化关系如图4(数据见表1)。由图4可以发现，当纳米粒子质量分数为1％时，改性Al2O3填充的复合材料其磨耗量要明显小于未改性Al₂O₃填充的复合材料，并分别比纯PTFE的磨耗量(628.8 mg)降低了55倍和7倍多，可见，纳米Al₂O₃能显著提高PTFE的耐磨性能，尤其是经过改性的Al₂O₃，它在PTFE中分散更加均匀，更能起到提升耐磨性的作用。继续增加纳米粒子的用量，两种复合材料的磨耗量逐渐减小并趋于一致，当纳米Al₂O₃质量分数达9％时，改性Al₂O₃填充的复合材料其磨耗量较纯PTFE降低了286倍，而未改性Al₂O₃填充的复合材料其磨耗量较纯PTFE降低了420倍。纳米粒子的加入能大大提高复合材料的耐磨性能，主要是由于磨损过程中PTFE大分子链发生滑移或断裂，加入硬质填料后，填料具有优先承载的作用，且纳米填料表面又可吸附大分子链，使大分子链互相缠绕，从而阻止了PTFE带状结构的大面积破坏，提高耐磨性。复合材料的磨痕宽度见表1，其变化趋势与磨耗量一致。

2.5　Al₂O₃用量对PTFE／Al₂O₃复合材料摩擦因数的影响
　　PTFE／Al₂O₃复合材料的摩擦因数与Al₂O₃用量的关系如图5(数值见表1)。由图5可知，当纳米Al₂O₃的质量分数不超过5％时，两种复合材料的摩擦因数均比纯PTFE低，而当继续增加Al₂O₃用量时，两种复合材料的摩擦因数则都超过纯PTFE。PTFE在摩擦过程中，会向磨件表面转移形成一层PTFE膜，使摩擦变成PTFE之间的摩擦，因此PTFE具有低的摩擦因数。若PTFE中填充有纳米粒子，它同样会出现在PTFE转移膜中，少量的纳米粒子能吸附对磨件金属，固定转移膜，从而进一步降低摩擦因数，但纳米粒子数若多，它在摩擦面上的分布也越多，这样会破坏转移膜，使PTFE与金属直接对磨，从而增加摩擦因数。从图5可以看出，当未改性纳米Al₂O₃的质量分数为1％，改性纳米Al₂O₃的质量分数为3％时，对应复合材料的摩擦因数低，均为0.15。

3　结论

　　1)随着纳米Al₂O₃的加入，复合材料的拉伸强度和断裂伸长率都较纯PTFE发生下降。KH560改性后纳米Al2O3在其质量分数小于5％时，制备的复合材料的拉伸强度要大于相同用量未改性Al₂O₃填充的复合材料，而当进一步增加Al₂O₃用量时，两种复合材料的拉伸强度逐渐减小并趋于一致。
　　2)复合材料的硬度随着Al₂O₃用量的增加不断增大，并当Al₂O₃用量较低时(小于3％)，改性Al₂O₃填充复合材料的硬度要大于未改性Al2O3填充复合材料的硬度。复合材料的密度与Al₂O₃的用量及其表面是否经KH560改性关系不大。
　　3)纳米Al₂O₃能显著提高复合材料的耐磨性能，对改性Al₂O₃，当其质量分数为1％和9％时，复合材料的磨耗量较纯PTFE分别下降了55倍和286倍，而对未改性Al₂O₃，当其质量分数为1％和9％时，复合材料的磨耗量较纯PTFE分别下降了7倍和420倍。复合材料的摩擦因数随着Al₂O₃用量的增多先减小后增大，对于未改性Al₂O₃，当其质量分数为1％时，复合材料的摩擦因数小，而对于改性Al₂O₃，当其质量分数为3％时，复合材料的摩擦因数小。