李春欣，呂曉仁，林金梁

(1.沈陽工業(yè)大學(xué)，遼寧 沈陽 110000；2.沈陽遠(yuǎn)大壓縮機(jī)有限公司，遼寧 沈陽 110000)

1 引言

往復(fù)壓縮機(jī)的適用壓力范圍廣，壓縮效率高，適應(yīng)性強(qiáng)。它們廣泛用于石化，鋼鐵，冶金，汽車等行業(yè)。大多數(shù)往復(fù)壓縮機(jī)利用活塞在氣缸中的運(yùn)動來周期性地改變氣缸中的容積以產(chǎn)生壓力和氣體輸送。為了保持氣體的穩(wěn)定，密封是往復(fù)壓縮機(jī)的關(guān)鍵。 在機(jī)械密封中，閥、活塞環(huán)和填料環(huán)是3個主要密封。氣閥實(shí)現(xiàn)了膨脹、吸入、壓縮和排氣4個過程，它們的效率直接關(guān)系到氣體的傳輸，能量的損失以及往復(fù)壓縮機(jī)的持續(xù)可靠性[1]?；钊h(huán)用于密封氣缸中的高壓氣體，以防止從活塞和氣缸之間的間隙泄漏。填料環(huán)用于密封活塞桿，并防止氣體中的高壓氣體沿活塞桿的方向泄漏。如今，這3種密封材料通常由聚四氟乙烯(PTFE)，聚醚酮(PEEK)及其復(fù)合材料制成[2]。

在往復(fù)密封的過程中，密封不可避免地產(chǎn)生摩擦和磨損。過度磨損會導(dǎo)致嚴(yán)重的氣體泄漏。近年來，人們逐漸關(guān)注往復(fù)壓縮機(jī)密封件的摩擦和磨損，并獲得了大量的研究成果。本文介紹了往復(fù)壓縮機(jī)的原理和密封件。將對目前往復(fù)壓縮機(jī)的PTFE，PEEK和復(fù)合材料的研究，并進(jìn)一步研究往復(fù)式壓縮機(jī)密封件的摩擦和磨損性能。

2 往復(fù)壓縮機(jī)工作原理

往復(fù)壓縮機(jī)由曲軸驅(qū)動，連桿驅(qū)動活塞，活塞上下移動，如圖1所示?；钊倪\(yùn)動改變了氣缸內(nèi)的容積。隨著活塞向下移動，氣缸容積增加，進(jìn)氣門打開，排氣門關(guān)閉，空氣被吸入以完成進(jìn)氣過程；隨著活塞向上移動，氣缸容積減小，出口閥打開，入口閥關(guān)閉，壓縮過程完成[3]。通常，活塞環(huán)以密封氣缸和活塞之間的間隙，并且填料環(huán)和活塞桿共同作用以在活塞桿上形成密封。

3 往復(fù)壓縮機(jī)密封部件

3.1 氣閥

氣閥由4個部分組成：閥座、閥片、彈簧、升程限制器。其中，閥片是易損的部分，是閥座通道的打開和關(guān)閉元件。傳統(tǒng)的閥片主要由金屬材料制成，但是近年來，由于非金屬材料技術(shù)的進(jìn)步，閥片主要由PEEK制成[4]。它具有諸如耐沖擊性，對雜質(zhì)不敏感，優(yōu)異的耐油性，優(yōu)異的自潤滑性能和低運(yùn)行噪音等優(yōu)點(diǎn)[5-6]。閥片的實(shí)物圖如圖2所示。氣閥主要是由于機(jī)械損壞和由于氣體的腐蝕引起的。

圖2 閥片實(shí)物圖

3.2 活塞環(huán)

活塞環(huán)是安裝在活塞上的部件，用于密封和接觸氣缸壁，活塞環(huán)的實(shí)物圖如圖3所示。主要作用是密封活塞與氣缸之間，避免氣體通過活塞進(jìn)入機(jī)體中，防止機(jī)器因此失效。密封活塞和氣缸之間的間隙，以防止氣體從壓縮空間的一側(cè)泄漏到另一側(cè)[9]?；钊h(huán)的工作原理是依靠由多個活塞環(huán)形成的曲折通道，從而導(dǎo)致多次節(jié)流和堵塞，并對流經(jīng)它的廢氣產(chǎn)生渦流阻塞作用。 當(dāng)發(fā)生小泄漏時，會產(chǎn)生較大的阻力下降，從而實(shí)現(xiàn)密封。該彎曲通道是由活塞環(huán)組的切口形成的通道[10]。

圖3 活塞環(huán)實(shí)物圖

氣體從壓力側(cè)通過活塞環(huán)和活塞環(huán)凹槽之間的軸向間隙進(jìn)入活塞環(huán)凹槽，并且空氣壓力徑向向外施加在活塞環(huán)上，從而產(chǎn)生密封效果；切口是由于在壓縮機(jī)工作時的平均工作溫度一般情況下是高于室溫的，這樣就會根據(jù)不同材料的線脹系數(shù)計(jì)算開口的大小，保證密封環(huán)不會“脹死”在環(huán)槽里[11]。

3.3 填料環(huán)

填料環(huán)由徑向環(huán)，切向環(huán)和節(jié)流環(huán)組成，填料環(huán)示意圖如圖4所示。在整個填料函中，具體位置和活塞桿接觸。氣缸和活塞桿之間的間隙用填料密封，該填料用于密封氣體并防止氣體泄漏到活塞桿上。氣缸和活塞桿之間的間隙用填料密封，該填料用于密封氣體并防止氣體泄漏到活塞桿上。安裝時徑向環(huán)必須處于高壓一側(cè)。高壓壓縮機(jī)一般采用三、六瓣密封圈[12]。

圖4 填料環(huán)示意圖

4 往復(fù)壓縮機(jī)密封件摩擦學(xué)研究

4.1 PEEK及其復(fù)合材料

聚醚醚酮(簡稱PEEK)的構(gòu)成單位為氧—對亞苯基氧—對亞苯基—羰基—對亞苯基，它是部分結(jié)晶的熱塑性特殊塑料[13]。PEEK具有出色的自潤滑性和低摩擦系數(shù)性能。它在各種壓力，溫度和相對粗糙的接觸表面下均具有出色的耐磨性。 它可用于惡劣的環(huán)境，例如非潤滑，高溫，潮濕和腐蝕[14]。為了進(jìn)一步提高PEEK的性能，人們添加了多種纖維以形成復(fù)合材料，其中碳纖維(CF)和玻璃纖維(GF)居多。

4.1.1 CF填充改性PEEK

碳纖維(CF)作為一種新的類型的纖維材料，不僅具有低的密度，高強(qiáng)度和高模量，而且具有良好的耐熱性和化學(xué)穩(wěn)定性的纖維材料制成。另外，由于組合物的90%以上是碳，因此碳纖維具有一定程度的潤滑性和低摩擦系數(shù)[15]。人們通過改變碳纖維長短、含量等條件來增強(qiáng)PEEK的性能，從而滿足實(shí)際的需求。碳纖維增強(qiáng)的PEEK復(fù)合材料具有廣泛的用途，包括航空航天、醫(yī)學(xué)、工程和其他領(lǐng)域。

(1)干摩擦

馬娜等人采用MM-W1A萬能摩擦試驗(yàn)機(jī)對10%～20%PEEK/CF進(jìn)行研究，摩擦形式為銷盤式滑動摩擦[16-17]。在載荷為0.5 MPa時，10%PEEK/CF材料的摩擦系數(shù)較PEEK基體下降幅度較大，為0.217。如果CF含量相對較大，則材料的摩擦系數(shù)隨著CF含量的增加而增加。材料的磨損率先降低，然后隨著CF含量的增加而增加。在CF含量達(dá)到20%時，材料的磨損率大幅提高，為6.05×10-6mm3/Nm。但較PEEK，磨損率還是處于下降狀態(tài)。由SEM圖片可知，材料的磨損機(jī)理是磨料磨損。在重負(fù)載下，碳纖維在摩擦表面上承擔(dān)了大部分負(fù)載，并改善了基體的耐磨性。但CF含量達(dá)到20%時，發(fā)生材料的脫落現(xiàn)象，表明高纖維含量復(fù)合材料在高載荷下耐磨性能的惡化。

王全兵等人采用MMW-1A銷盤式摩擦機(jī)研究了質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的CF對PEEK復(fù)合材料摩擦性能的影響[18]，研究發(fā)現(xiàn)，碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的摩擦系數(shù)低于無纖維的摩擦系數(shù)，摩擦因數(shù)在0.15左右，較PEEK降低值在0.1附近波動，磨耗量為17 mg，也明顯低于PEEK。這可能是由于纖維的承重和增強(qiáng)作用，減少磨料顆粒的嵌入和切割作用，阻礙了材料的塑性變形，降低摩擦系數(shù)從而提高耐磨性[19]。

(2)液體潤滑

王春龍等人對比研究了10%CF和30%CF增強(qiáng)PEEK復(fù)合材料在海水潤滑、載荷為1000 N下的磨損行為[20]。隨著CF含量從10%增加到30%，PEEK的摩擦系數(shù)增加，在1000 N的負(fù)載下，PEEK+10%CF的摩擦系數(shù)為0.04。當(dāng)CF含量從10%增加到30%，則PEEK的對偶面磨損率會顯著增加。在1000 N載荷時，PEEK+10%CF的磨損率為1.04×10-6mm3/Nm，小于PEEK+30%CF的4.22×10-6mm3/Nm。這是因?yàn)镻EEK聚合物中的CF含量增加，并且配合表面上的摩擦損傷增加，這導(dǎo)致磨損率增加。與干摩擦相比，CF增強(qiáng)的PEEK在海水潤滑下顯示出更好的摩擦穩(wěn)定性和耐磨性[21]。

鐘瑩潔等研究了海水潤滑條件下15%PEEK/CF復(fù)合材料的摩擦磨損性能[22]。試驗(yàn)應(yīng)力為1～5 MPa，相對滑動速度為2m/s，時間為2h。通過實(shí)驗(yàn)可知，復(fù)合材料摩擦系數(shù)和磨損率相對較高。隨著載荷的增加，摩擦系數(shù)和磨損率均降低。摩擦系數(shù)降至0.01附近并上下小幅波動，而磨損率則持續(xù)下降至最低值1.95×10-8mm3/Nm。與純PEEK相比，PEEK/CF復(fù)合材料具有更好的耐磨性，并且在高負(fù)載條件下其耐磨性更好。隨著摩擦進(jìn)行，碳纖維暴露在表面，減輕了基材承受的張力，因此基體材料得到了一定程度的保護(hù)，免受過度磨損。PEEK/CF復(fù)合材料呈現(xiàn)犁形，可以看出復(fù)合材料主要是以輕微磨損和疲勞磨損為主。

4.1.2 GF填充改性PEEK

玻璃纖維(GF)是一種無機(jī)非金屬材料。優(yōu)點(diǎn)是絕緣性好，耐熱性強(qiáng)，耐腐蝕性好和機(jī)械強(qiáng)度高，但是缺點(diǎn)是脆性和耐磨性差。但擁有與PEEK結(jié)合容易、絕緣性能、沖擊性能和壓縮性能好等優(yōu)點(diǎn)[23]。與PEEK混合后，它可以具有更高的耐熱性和更低的收縮率。 因此，PEEK/GF廣泛用于航空航天等高科技領(lǐng)域。

(1)干摩擦

李恩重等研究了30%GF增強(qiáng)的PEEK復(fù)合材料和GCr15鋼球在干摩擦條件下的摩擦磨損性能[24-25]，在200 N的載荷，2 Hz、6 Hz、10 Hz頻率下，PEEK/GF復(fù)合材料的摩擦系數(shù)隨時間增加。如圖5所示，摩擦系數(shù)也隨時間增加而穩(wěn)定。PEEK/GF復(fù)合材料的磨損也隨著頻率的增加而增加。當(dāng)頻率從2 Hz增大到10 Hz時，磨損量從0.2 mg上升到1.1 mg。這是由于PEEK/GF復(fù)合材料的粘彈性。隨著負(fù)載和頻率的增加，摩擦過程中產(chǎn)生的熱量增加。隨著材料的整體溫度升高，表面材料會變軟并發(fā)生塑性變形，并且材料承受剪切變形的能力會降低，從而導(dǎo)致可能的附著力和材料磨損增加。

寧洋等人利用電子式能試驗(yàn)機(jī)對玻璃纖維增強(qiáng)PEEK的摩擦性能進(jìn)行了研究[26]。試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著GF的加入，PEEK復(fù)合材料的摩擦系數(shù)降低。當(dāng)載荷為200 N時，摩擦系數(shù)從0.19降到0.13。當(dāng)負(fù)載為1000 N時，PEEK/GF的摩擦阻力比PEEK好。摩擦系數(shù)從0.44降到0.1?？梢钥闯觯S著載荷的增大，復(fù)合材料降摩擦系數(shù)降低的越顯著。PEEK/GF的橫截面清晰可見GF和PEEK基體樹脂撕裂，暴露的GF表面覆蓋有一層基質(zhì)樹脂，嵌入PEEK樹脂中的GF與PEEK樹脂緊密相連，因而PEEK/GF的摩擦性能更加優(yōu)秀。

(2)液體潤滑

徐培琦等人利用MM-2000微機(jī)控制摩擦磨損試驗(yàn)對在載荷為600N時，10%、20%、25%、30%PEEK/GF復(fù)合材料在水潤滑下進(jìn)行了試驗(yàn)[27]。GF的添加降低了PEEK/GF復(fù)合材料的摩擦系數(shù)，且當(dāng)GF的含量為25%時，PEEK/GF復(fù)合材料的摩擦系數(shù)降到0.06?？梢钥闯霾牧暇哂泻芎玫目的Σ列阅?。如圖6、7所示，隨著GF含量超過25%時，樹脂的相對含量逐漸降低，界面未牢固結(jié)合，應(yīng)力集中點(diǎn)增加，復(fù)合材料的缺陷相應(yīng)增加。因此，PEEK/GF復(fù)合材料的摩擦系數(shù)增大到0.23。如果過量添加GF，則樹脂不能達(dá)到GF的總涂層，樹脂的相對含量逐漸降低，界面未牢固結(jié)合，應(yīng)力集中點(diǎn)增加，復(fù)合材料的缺陷相應(yīng)增加[28]。

圖7 PEEK/GF復(fù)合材料的SEM照片

李恩重等人采用CETR-3型多功能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)測試了PEEK和含30%短切玻璃纖維的PEEK/GF在水潤滑下的摩擦磨損性能[29]。在載荷為200 N，頻率為2 Hz時。復(fù)合材料的摩擦系數(shù)大于基材的摩擦系數(shù)，PEEK/GF的摩擦系數(shù)為0.16。由SEM圖片可以看到，在摩擦過程中，PEEK轉(zhuǎn)移材料并在雙面上形成轉(zhuǎn)移膜，玻璃纖維在磨損的過程中以顆粒的形式進(jìn)行磨損，形成了對PEEK的保護(hù)膜，增加摩擦界面的接觸點(diǎn)，使復(fù)合材料的摩擦系數(shù)增加。磨損率方面，30%PEEK/GF復(fù)合材料的磨損率為0.4×10-6mm3/Nm，PEEK為0.6×10-6mm3/Nm，高強(qiáng)度玻璃纖維可顯著改善PEEK/GF復(fù)合材料的綜合機(jī)械性能，能夠有效的改善PEEK的磨損性能，從而提高PEEK復(fù)合材料的耐磨性。水潤滑下的PEEK主要是由輕微的粘合磨損引起的。水的冷卻和潤滑作用的結(jié)果是減小了摩擦并且減小了摩擦表面的溫度升高，這顯著提高了復(fù)合材料的摩擦和磨損性能。

4.1.3 PEEK+其他復(fù)合材料

駱志高等研究了在PEEK中混入PTFE組成新的復(fù)合材料，再與45#鋼在干摩擦條件下的摩擦磨損特性研究[30]。實(shí)驗(yàn)的載荷為200 N，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，復(fù)合材料隨著PTFE含量的增加，摩擦系數(shù)逐漸降低，但磨損率隨著含量的增加，呈現(xiàn)先降低后增加的趨勢。當(dāng)填充的PTFE含量達(dá)到10%至20%時，復(fù)合材料的摩擦學(xué)性能最佳。不僅如此，駱志高等還研究了填充石墨、MoS2和PTFE共同來改性PEEK復(fù)合材料，并在干摩擦條件下進(jìn)行摩擦磨損研究[30]。實(shí)驗(yàn)的載荷為200～1000 N時，材料的摩擦系數(shù)和磨損率都隨著載荷的增加而減小。當(dāng)負(fù)荷較低時，復(fù)合材料以耕作為主，這表現(xiàn)為磨料磨損。當(dāng)負(fù)載高時，它表現(xiàn)為粘合劑磨損和磨料磨損的混合形式。

4.2 PTFE及其復(fù)合材料

PTFE(Poly tetra fluoroethylene)，具有結(jié)晶度較高、相對分子質(zhì)量較大、分子無支鏈等特點(diǎn)。具有良好的自潤性等性能特點(diǎn)[31]。PTFE憑借其獨(dú)特螺分子結(jié)構(gòu)和外圍致密的“氟代”保護(hù)層結(jié)構(gòu)決定了其獨(dú)特的性質(zhì)。像低摩擦系數(shù)，出色的化學(xué)穩(wěn)定性等一樣，它也是一種出色的固體潤滑材料[32]。為了進(jìn)一步提高PTFE的性能，人們添加了多種纖維以形成復(fù)合材料，其中，碳纖維(CF)和玻璃纖維(GF)占多數(shù)。

4.2.1 CF填充改性PTFE

碳纖維(CF)常用來增強(qiáng)PTFE，能有效克制其不足之處。然而，由于CF和PTFE基體之間的親和性差，界面粘合強(qiáng)度低，這降低了復(fù)合材料的性能。因此，為了提高CF與PTFE基體之間的界面結(jié)合力，必須對CF進(jìn)行適當(dāng)?shù)谋砻嫣幚怼?/p>

(1)干摩擦

楊家義等采用摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，分別加入T600、通用級、瀝青基的CF充改性后的PTFE復(fù)合材料進(jìn)行了干摩擦下復(fù)合材料性能的研究[33]。試驗(yàn)轉(zhuǎn)速200 r/min，載荷200N。其中CF質(zhì)量份20%。如圖8所示，T600碳纖維磨耗量最小，為0.0006 mg。摩擦系數(shù)為0.196。通用的碳纖維材料的摩擦最大平均系數(shù)，為0.213，磨損適中，摩擦磨損試驗(yàn)穩(wěn)定，總體性能中等。瀝青基碳纖維材料的平均摩擦系數(shù)最低，為0.183，然而，磨損量和磨損痕跡的寬度最大，并且磨損狀態(tài)不穩(wěn)定。因此，可以看出，碳纖維增強(qiáng)PTFE墊片材料的摩擦系數(shù)與材料中石墨結(jié)構(gòu)的碳含量有關(guān)。 石墨結(jié)構(gòu)的碳含量越高，材料的摩擦系數(shù)越低，自潤滑性能越好。 瀝青基的碳含量最高，顆粒含量為5%，所以瀝青基的摩擦系數(shù)最低。

顏錄科等人研究采用熱空氣氧化后，鈦酸酯偶聯(lián)劑處理和聚四氟乙烯分散體涂層后再進(jìn)行氬等離子體處理是改性CF表面的兩種方法。并填充15%改性后的CF到PTFE中進(jìn)行摩擦學(xué)實(shí)驗(yàn)[34]。實(shí)驗(yàn)機(jī)型為M-200型磨損試驗(yàn)機(jī)，在載荷為3MPa時進(jìn)行測試。在實(shí)驗(yàn)過程中，未做改性的CF很容易得從PTFE基體上脫落。所以并沒有起到有效的作用，而且，由于CF的脫落，掉落在和摩擦副之間，是硬顆粒狀態(tài)，反而增大了摩擦副之間的摩擦系數(shù)。改性后的CF與PTFE基材的黏貼性能得到了改善，在摩擦過程中，CF有效地承擔(dān)了負(fù)載，從而提高了復(fù)合材料的耐磨性。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在熱空氣氧化后，用增粘劑處理碳纖維可以使CF/PTFE復(fù)合材料的磨損率降低44%，而氬氣等離子體處理PTFE分散的涂覆碳纖維可以使復(fù)合材料的磨損率降低56%。

(2)液體潤滑

胡剛等人制備了25%碳纖維和25%玻璃纖維的PTFE復(fù)合材料，使用315/305型環(huán)塊式摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)在油潤滑條件下進(jìn)行摩擦磨損試驗(yàn)[35]。在載荷為245 N，轉(zhuǎn)速為200 r/min時，CF/PTFE的摩擦系數(shù)為0.032，磨痕寬度為2.66 mm。CF/PTFE的摩擦系數(shù)高于GF/PTFE，而且磨痕寬度小于玻璃纖維。這是因?yàn)樘祭w維的硬度要高于玻璃纖維，在摩擦的過程中，碳纖維承受載荷的能力要強(qiáng)于玻璃纖維，因此，在磨痕寬度方面，碳纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料要小于玻璃纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料。由于是油潤滑條件，磨損后，磨損表面都比較光滑，碳纖維和玻璃纖維都未發(fā)生脫落現(xiàn)象。通過SEM可知，在摩擦過程中，復(fù)合材料和摩塊之間產(chǎn)生了一層油膜，由于油膜的作用，避免了兩者之間的直接接觸，所以提高了耐磨和潤滑的作用。

4.2.2 GF填充改性PTFE

GF填充PTFE使復(fù)合材料的穩(wěn)定性得到了極大地提高，同時降低了材料的收縮率，蠕變減小，在密封件方面得到了廣泛的應(yīng)用[36]。GF/PTFE復(fù)合材料在性能方面不單單取決于GF纖維的材質(zhì)，更取決于GF的形態(tài)、尺寸、含量、分布狀態(tài)以及GF與基體的界面連接情況等因素。

魏剛等人通過MM-200型磨損試驗(yàn)機(jī)對5%～20%的PTFE/GF復(fù)合材料的摩擦磨損性能進(jìn)行測試[37]。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在載荷為300 N，轉(zhuǎn)速為200 r/min時，隨著玻璃纖維含量的增加，PTFE/GF復(fù)合材料的摩擦系數(shù)也隨之增加。玻璃纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)從5%增大到20%時，PTFE/GF復(fù)合材料的摩擦因數(shù)也逐漸從0.26增大到0.325。當(dāng)加入5%GF時，PTFE/GF樣品的磨損率最大，并且隨著GF的增加，磨損量逐漸降低。由SEM照片可知，當(dāng)加入5%GF時，磨損表面的槽寬而深，磨損嚴(yán)重，耐磨性明顯。隨著GF的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，磨損表面上的溝槽進(jìn)一步變窄，更多的玻璃纖維起到了承載力的作用，使得復(fù)合材料的磨損降低，增加了材料的耐磨性?？梢钥闯?，添加適量的玻璃纖維顯然可以防止PTFE膠帶晶片的滑移損壞，并且大大降低了整體磨損率。同時，大量的GF顆粒附著在摩擦表面上，這樣也進(jìn)一步的增加了材料的摩擦系數(shù)。馬偉強(qiáng)等人通過MMW-1A型萬能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)探究了PTFE/GF復(fù)合材料在不同轉(zhuǎn)速下的摩擦磨損情況[38]。干摩擦試驗(yàn)是在251N的恒定載荷下進(jìn)行的。測定0～25%GF含量的試樣在20 r/min、40 r/min、60 r/min、80 r/min轉(zhuǎn)速下的摩擦性能。在實(shí)驗(yàn)時長為1h時，在不同含量時，20%PTFE/GF的摩擦系數(shù)為0.19。是所有百分比中摩擦系數(shù)最低。由SEM圖可知，當(dāng)用GF填充后，出現(xiàn)在單位面積上的GF顆粒增加，所以摩擦現(xiàn)象在GF顆粒上增加，這樣導(dǎo)致了復(fù)合材料的摩擦系數(shù)高于純PTFE材料。但隨著GF的含量繼續(xù)增加，復(fù)合硬度的增加對摩擦系數(shù)的影響減弱，從而摩擦系數(shù)逐漸降低。PTFE/GF的磨損率明顯低于PTFE，并且隨著GF填充量的增加而降低。在80 r/min轉(zhuǎn)速下，20%PTFE/GF的磨損率為56×10-6mm3/Nm，純PTFE的磨損率為870×10-6mm3/Nm。磨損率降低了93.56%。這是因?yàn)镚F加入后，復(fù)合材料的硬度增大，有效阻止了PTFE結(jié)構(gòu)的大面積破壞。從而復(fù)合材料在應(yīng)力作用下難以脫離，從而降低了磨損率。

4.2.3 PTFE+其他復(fù)合材料

馬偉強(qiáng)等研究了在較高載荷及不同轉(zhuǎn)速下的低含量鱗片石墨/PTFE復(fù)合材料的摩擦磨損性能[39]。結(jié)果表明，在高載荷下，當(dāng)填充5%石墨時，石墨/PTFE復(fù)合材料的摩擦系數(shù)和磨損量都最??；與純PTFE相比，當(dāng)載荷為0.8 MPa、轉(zhuǎn)速為80 r/min時，摩擦因數(shù)和體積磨損率分別降低了19.7%和84.25%；隨著石墨含量的增加，復(fù)合材料的磨損機(jī)理逐漸從犁磨損變?yōu)檎持p，當(dāng)石墨的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%時，容易產(chǎn)生輕微疲勞磨損。

Samuel Beckford等研究了在PDA(聚多巴胺)/PTFE雙涂層中加入石墨填料的效果，并進(jìn)行了摩擦磨損實(shí)驗(yàn)研究[40]。結(jié)果表明：在復(fù)合材料中添加石墨，可以提高材料的耐磨性，并降低其摩擦系數(shù)。在復(fù)合材料中添加1%的石墨時，其耐磨性可以提高5倍，并且降低了17%的摩擦系數(shù)。這是由于復(fù)合材料的表面形成了表面轉(zhuǎn)移膜，使涂層能夠在表面滑動，表面摩擦力隨之分散，固提高了耐磨性并且降低了摩擦系數(shù)。

4.3 密封材料的對比分析

與PEEK相比，PTFE的摩擦系數(shù)要小一些。但是磨損量缺高于PEEK。郭智威利用CBZ-1摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，在載荷為60 N時，研究了在不同轉(zhuǎn)速下，PEEK和PTFE的摩擦磨損性能[41-42]。在轉(zhuǎn)速為100 r/min時，PEEK的摩擦系數(shù)為0.23，PTFE的摩擦系數(shù)為0.2。隨著轉(zhuǎn)速的不斷增加，達(dá)到800 r/min時，PEEK的摩擦系數(shù)為0.18。但PTFE的摩擦系數(shù)為0.04。這主要是因?yàn)镻TFE能夠形成自潤滑膜，有效的減少了摩擦，所以摩擦系數(shù)要比PEEK低。但是在穩(wěn)定性方面，PEEK的摩擦系數(shù)變化不大，這是由于其化學(xué)性質(zhì)很穩(wěn)定，耐磨性、耐疲勞強(qiáng)度均很高。破壞結(jié)構(gòu)所需的能量很大，因此PEEK的摩擦系數(shù)非常穩(wěn)定，而且性能非常好。

對于耐磨性來說，玻璃纖維增強(qiáng)的PTFE復(fù)合材料要略遜于碳纖維。由于碳纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料硬度較高，所以在耐磨性上碳纖維增強(qiáng)PTFE復(fù)合材料耐磨性比玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的耐磨性高。胡剛等人以25%GF/PTFE和25%GF/PTFE兩種復(fù)合材料，利用315/305型環(huán)塊式摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)在干摩擦條件下進(jìn)行了摩擦性能研究[35]。在同種條件下，GF/PTFE復(fù)合材料的摩擦系數(shù)和磨痕寬度分別為0.23和4.92 mm，CF/PTFE復(fù)合材料的摩擦系數(shù)和磨痕寬度分別為0.29和4.18 mm。這說明CF復(fù)合材料磨損量要低于GF復(fù)合材料。張?jiān)雒偷热艘?0%GF/PTFE和30%CF/PTFE為實(shí)驗(yàn)對象，利用MMW-1立式萬能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)研究在水潤滑下的摩擦學(xué)性能[43]。在載荷為0.8 MPa，速度1.4 m/s，磨損時間為2 H的工況下，PEEK/CF的摩擦因數(shù)為0.24，磨損量為0.49 mg；而PEEK/GF的摩擦因數(shù)為0.33，磨損量為0.71 mg。這2次實(shí)驗(yàn)都足以證明CF增強(qiáng)的復(fù)合材料要優(yōu)于GF增強(qiáng)的復(fù)合材料。

5 結(jié)語

近年來，往復(fù)壓縮機(jī)工業(yè)對產(chǎn)品的純度，壓力和效率的要求越來越高，企業(yè)對壓縮機(jī)的密封件的性能要求也隨之提高。為了提高壓縮機(jī)的使用壽命和減少壓縮氣體泄漏和潤滑油產(chǎn)生的污染，能做出高強(qiáng)度、高耐熱和低摩擦的密封件能夠進(jìn)一步改善往復(fù)式壓縮機(jī)的工作情況，提高使用壽命。無油潤滑活塞環(huán)在提高使用壽命，降低成本，節(jié)省能源，降低噪聲，清潔氣體和提高操作安全性方面的優(yōu)勢越來越明顯，人們迫切需要開發(fā)高性能，廉價，不污染的新材料并開發(fā)新型結(jié)構(gòu)。當(dāng)今PTFE、PEEK復(fù)合材料已經(jīng)成為了主流材料，如何改性復(fù)合材料提高密封件的使用壽命，也成為了熱門話題。小型壓縮機(jī)已經(jīng)基本滿足國內(nèi)各行業(yè)的要求，但大型往復(fù)壓縮機(jī)還有所欠缺。目前，大型往復(fù)壓縮機(jī)正朝著大容量、高壓力、能耗少等方面發(fā)展，所以需要研制出壓制變工況條件的新型氣閥，使氣閥壽命大大提高。近年來，我國壓縮機(jī)行業(yè)在引進(jìn)、消化、吸收和再創(chuàng)新方面取得了突破，但與國外先進(jìn)水平相比還存在一定差距。為此人們開展了新的結(jié)構(gòu)型式及應(yīng)用于大容量壓縮機(jī)等技術(shù)的研究。