在具有活动部件的机械系统中，摩擦会增加能量消耗从而导致表面材料的降解。因此最大限度地减少摩擦是一个很重要的目标，而材料的正确选择是实现这一目标的关键因素。聚四氟乙烯（PTFE）正是这样的材料，它固有的摩擦很低，在某些情况下可以替代液体润滑（例如在高真空或超洁净的环境中）。但是，为了在摩擦下保持足够的耐久性，PTFE低的机械强度和耐磨性的问题必须被解决。

    PTFE的机械性能可以通过各种添加剂来增强。在这些添加剂中，碳纳米管（CNTs）作为复合材料的增强材料，具有许多吸引人的特性（例如高的强度、硬度和热导率）。以前的研究已经证明，CNTs能有效地改善块状PTFE/ CNT复合材料的摩擦和磨损性能。然而，把PTFE / CNT作为涂料使用，目前还没有受到重视。与块状PTFE相比，PTFE涂层更具成本效益，而且当它应用到某些机械部件（例如齿轮和轴）中，部件的承载性能也会得到很好的提升。

    于是，我们通过制造各种PTFE / CNT标本，研究了在PTFE涂层中使用碳纳米管作为潜在增强材料的效果。然后，我们在不同负载条件下评估了涂料的摩擦学性能，在不同的碳纳米管含量和热处理工艺下，测试了它们的耐磨损性能。为了制造聚PTFE/ CNT复合材料，我们将PTFE与4种不同浓度的CNT溶液混合（1、2、5和10wt％），然后旋涂这些复合材料的液相分散体到硅基底上来测试材料作为涂层的性能。旋涂后，我们通过退火来增强了涂层的机械性能。为了实现这一点，我们加热试样至400℃，并在炉中维持35分钟。然后在两个不同的条件下冷却试样至室温。第一个条件是试样在室温下冷却约15分钟。第二个条件是在炉中缓慢冷却样品约5小时。

    我们使用扫描电子显微镜来检测我们的PTFE/ CNT复合材料，基于这些图像，我们进行了涂层的形态学分析。这一分析表明，PTFE纤维的直径受冷却速率的影响。我们发现，更快的冷却速率会更容易导致树突状结构的形成，而且其直径比缓慢冷却的小得多。此外，CNT相对高的热导率意味着它们的加入引起了更大的冷却速度，从而导致PTFE的平均纤维直径进一步减小。

    为了模拟机械部件与表面接触的应力，我们进行了PTFE/ CNT涂层的滑动测试。在这些试验中，我们采用了往复运动型摩擦试验机，将试样贴着不锈钢球（直径1.6毫米）滑动1000个周期，负载为5Nm和20Nm。根据这些测试的结果，我们发现，碳纳米管的加入引起了摩擦系数的降低，在缓慢冷却含1wt％的碳纳米管的样品时，摩擦系数从0.16（纯PTFE）下降到0.11。当CNT含量较高时，摩擦系数稍微升高。这表明，树突状纤维的厚度对摩擦系数产生了显著影响，具有较薄的纤维会引起更大的摩擦力。我们将此归因于纤维缠结增加，这使得较薄纤维不太可能会彼此分离，于是便产生了一个稍高的摩擦力。

    接下来，我们使用了三维激光显微镜来评估涂层的磨损行为（通过测量滑动试验后试样的磨损量）。我们得到的两个三维激光显微镜图像如图1所示。这些测试结果表明，在添加CNT后PTFE涂层的磨损率显著降低，5Nm负载下的样品磨损率从1.7E-4立方毫米/牛顿米（纯PTFE）下降到了0.4E-4立方毫米/牛顿米（含5wt％的CNT）。我们发现，PTFE / CNT复合涂层的磨损率也取决于冷却速率和外加负载（参见图2）。5Nm负载下复合涂层的磨损率通常低于20Nm负载下复合涂层的磨损率。在5Nm的负载下，慢冷却C5（即5％wt的CNT）样品达到了最低磨损率，在20Nm负载下，慢冷却C1（1wt％的CNT）样品才能达到最低磨损率。我们把此结果归因于PTFE纤维间内聚力的降低，以及涂层和基层之间的界面粘附力的降低。应当注意的是，在20Nm负载情况下，我们无法获得C5和C10样品的磨损率，原因是难以从严重失真的表面形态上建立基地参考平面。

    图1  （a）纯PTFE和（b）C1（5h）标本在20Nm负荷下的磨痕三维激光显微镜图像。

    图2  自然冷却（NC）和慢速冷却（五个小时）的聚四氟乙烯/碳纳米管（PTFE / CNT）复合涂层试样的磨损率对比图。PTFE基中含1、2、5和10％（质量分数）的CNT，分别称为C1、C2、C5和C10，在不同的负载条件下（即5Nm和20Nm）进行了1000次循环测试。纯PTFE涂层（P0）也进行了测试。Nm：牛顿米。

    综上所述，我们以涂层形式制备了PTFE / CNT复合材料，通过旋涂方式分散到硅基片上。我们发现，这种复合材料的PTFE纤维的直径可以通过控制热处理过程和冷却时间来改变。此外，我们的研究表明，聚四氟乙烯涂层的磨损可以通过添加碳纳米管和使用特定的退火条件来改善，最佳CNT浓度（即达到最低的磨损率要求的重量百分比）依赖于负载条件。根据我们的研究，我们希望通过PTFE /CNT复合涂层来减少机械部件的摩擦磨损。在我们未来的工作中，我们希望开发使涂层材料与基材之间粘合的方法，并进一步优化涂覆方法。

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责任编辑：王元

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