在具有活動部件的機械系統中，摩擦會增加能量消耗從而導致表面材料的降解。因此最大限度地減少摩擦是一個很重要的目標，而材料的正確選擇是實現這一目標的關鍵因素。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滑（例如在高真空或超潔凈的環境中）。但是，為了在摩擦下保持足夠的耐久性，PTFE低的機械強度和耐磨性的問題必須被解決。

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

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

    我們使用掃描電子顯微鏡來檢測我們的PTFE/ CNT復合材料，基于這些圖像，我們進行了涂層的形態學分析。這一分析表明，PTFE纖維的直徑受冷卻速率的影響。我們發現，更快的冷卻速率會更容易導致樹突狀結構的形成，而且其直徑比緩慢冷卻的小得多。此外，CNT相對高的熱導率意味著它們的加入引起了更大的冷卻速度，從而導致PTFE的平均纖維直徑進一步減小。

    為了模擬機械部件與表面接觸的應力，我們進行了PTFE/ CNT涂層的滑動測試。在這些試驗中，我們采用了往復運動型摩擦試驗機，將試樣貼著不銹鋼球（直徑1.6毫米）滑動1000個周期，負載為5Nm和20Nm。根據這些測試的結果，我們發現，碳納米管的加入引起了摩擦系數的降低，在緩慢冷卻含1wt％的碳納米管的樣品時，摩擦系數從0.16（純PTFE）下降到0.11。當CNT含量較高時，摩擦系數稍微升高。這表明，樹突狀纖維的厚度對摩擦系數產生了顯著影響，具有較薄的纖維會引起更大的摩擦力。我們將此歸因于纖維纏結增加，這使得較薄纖維不太可能會彼此分離，于是便產生了一個稍高的摩擦力。

    接下來，我們使用了三維激光顯微鏡來評估涂層的磨損行為（通過測量滑動試驗后試樣的磨損量）。我們得到的兩個三維激光顯微鏡圖像如圖1所示。這些測試結果表明，在添加CNT后PTFE涂層的磨損率顯著降低，5Nm負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）。我們發現，PTFE / CNT復合涂層的磨損率也取決于冷卻速率和外加負載（參見圖2）。5Nm負載下復合涂層的磨損率通常低于20Nm負載下復合涂層的磨損率。在5Nm的負載下，慢冷卻C5（即5％wt的CNT）樣品達到了最低磨損率，在20Nm負載下，慢冷卻C1（1wt％的CNT）樣品才能達到最低磨損率。我們把此結果歸因于PTFE纖維間內聚力的降低，以及涂層和基層之間的界面粘附力的降低。應當注意的是，在20Nm負載情況下，我們無法獲得C5和C10樣品的磨損率，原因是難以從嚴重失真的表面形態上建立基地參考平面。

    圖1  （a）純PTFE和（b）C1（5h）標本在20Nm負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（五個小時）的聚四氟乙烯/碳納米管（PTFE / CNT）復合涂層試樣的磨損率對比圖。PTFE基中含1、2、5和10％（質量分數）的CNT，分別稱為C1、C2、C5和C10，在不同的負載條件下（即5Nm和20Nm）進行了1000次循環測試。純PTFE涂層（P0）也進行了測試。Nm：牛頓米。

    綜上所述，我們以涂層形式制備了PTFE / CNT復合材料，通過旋涂方式分散到硅基片上。我們發現，這種復合材料的PTFE纖維的直徑可以通過控制熱處理過程和冷卻時間來改變。此外，我們的研究表明，聚四氟乙烯涂層的磨損可以通過添加碳納米管和使用特定的退火條件來改善，最佳CNT濃度（即達到最低的磨損率要求的重量百分比）依賴于負載條件。根據我們的研究，我們希望通過PTFE /CNT復合涂層來減少機械部件的摩擦磨損。在我們未來的工作中，我們希望開發使涂層材料與基材之間粘合的方法，并進一步優化涂覆方法。

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責任編輯：王元

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