塑料作為摩擦件材料的優點是它具有優異的減摩耐磨性，抗化學腐蝕性，對異物的包容性、吸聲吸振性和自潤滑性。所以塑料在機器制造、交通運輸，化工和儀表業的摩擦系統中得到日益廣泛的應用，它可以代替大量的貴重有色金屬，簡化加工工序，降低成本，提高勞動生產率，延長機器的使用壽命。摩擦性能主要是指材料的摩擦系數，磨耗性能主要是指在摩擦過程中，材料的表面不斷損失的。

塑料磨損試驗基本概念

磨損是物體相對運動時相互接觸表面的物質不斷損失或產生殘余變形的現象。磨損是摩擦的必然結果，是決定材料壽命的重要因素磨損是多種因素相互影響的復雜過程。根據摩擦面損傷和破壞的形式，大致可分為∶黏著磨損、磨料磨損、接觸疲勞磨損（接觸疲勞）、微動磨損及腐蝕磨損、氣蝕、液體沖蝕等。

磨損類型在不同的條件下，可以發生轉化，由一種損傷機制變成另一種損傷機制。隨著滑動速度的加快，磨損類型由氧化磨損轉化為黏著磨損，又從黏著磨損轉化為氧化磨損，最終恢復為黏著磨損，磨損量也由小增大直至材料失效。故解決實際磨損問題時，要分析參與磨損過程的條件特性， 確定磨損類型，才能采取有效的措施，減少磨損。

PTFE在汽車中的應用

PTFE（聚四氟乙烯，特氟龍）在汽車工業中應用廣泛，主要得益于其耐高溫、耐化學腐蝕、絕緣性和低摩擦系數等特性。

它常用于發動機部件（如排氣系統墊圈、活塞環）、傳感器和連接器（確保電氣穩定性）、燃油系統（燃油管、濾清器內襯）以及排氣系統涂層（減少腐蝕）。此外，PTFE還用于軸承、滑軌（降低摩擦）、密封件（如發動機和變速箱密封）、防塵罩（保護電子部件）、高溫標識及空調系統（耐腐蝕、提高效率）。其優異的性能顯著提升了汽車部件的耐用性和系統效率。

摩擦性能影響因素

工程塑料與金屬摩擦副對摩時，由于黏著作用會在摩擦副表面發生斷裂，小顆粒工程塑料從表面滑落下來，形成磨屑或者附著在對摩材料表面形成轉移膜。如圖1所示，在摩擦磨損試驗中，磨合階段過程中摩擦副間不斷有轉移膜的形成，當達到穩定磨合階段時形成一層均勻致密的轉移膜。但在摩擦過程中轉移膜會受到填料、工作條件、表面織構等因素的影響使得減摩抗磨效果達不到預期要求。

圖1 PTFE轉移膜形成機理

此外，測試條件、接觸幾何形狀和環境等因素對聚合物摩擦磨損行為的影響也需要更全面的了解，包括純PTFE及三種復合材料（玻璃纖維填充、青銅填充、碳填充）在不同載荷和速度下的摩擦磨損行為，為材料選擇提供依據。

圖2 磨耗試驗機示意圖

1. 摩擦系數的變化規律

實驗結果表明，純PTFE及其復合材料的摩擦系數均隨載荷增加而顯著降低（圖3）。例如，純PTFE在5 N載荷下的摩擦系數為0.76，而在30 N時降至0.127。

圖3 PTFE及其復合材料與不銹鋼的摩擦系數（滑動速度=0.32 m/s）

這一現象可通過粘彈性理論解釋：聚合物摩擦系數與載荷的關系符合方程μ = kN(n-1)（2/3 < n < 1），表明摩擦系數與載荷呈負相關。當載荷超過聚合物臨界值時，摩擦熱導致表面溫度升高，分子鏈松弛和剪切作用增強，反而可能加劇摩擦。此外，所有材料在速度增加時摩擦系數平均降低50%（圖4），說明速度提升可能通過改變界面熱力學狀態影響摩擦行為。

圖4 PTFE及其復合材料與不銹鋼的摩擦系數

2. 磨損性能的對比分析

磨損測試數據（表1、表2）顯示，填充材料顯著改善了PTFE的耐磨性：

純PTFE的比磨損率在10-7 mm³/N·m量級，表現出最高的磨損率。

復合材料的磨損率降低1-2個數量級：PTFE+17%GFR最低（10-9 mm³/N·m），PTFE+25%青銅和PTFE+35%C次之（10-8 mm³/N·m）。其中，玻璃纖維增強效果最佳，比純PTFE磨損率降低98%。

表1 PTFE及其復合材料在不同載荷和速度下測試時的質量損失值

表2 PTFE及其復合材料在不同載荷和速度下測試時的比磨損率

3. 載荷與速度的影響機制

圖5 PTFE及其復合材料與不銹鋼的平均磨損率（對數刻度）（載荷=20 N）

速度不敏感性：在0.32-1.28 m/s范圍內，速度變化對磨損率影響微弱（圖5）。例如，PTFE+35%C在1.28 m/s時的磨損率（3.23×10^-8 mm³/N·m）與0.32 m/s（3.90×10^-8 mm³/N·m）差異不足20%，說明摩擦熱未達到引發材料顯著軟化的閾值。

圖6 PTFE及其復合材料與不銹鋼的平均磨損率（對數刻度）（滑動速度=0.96 m/s）

圖7 PTFE及其復合材料比磨損率（對數刻度）隨載荷的變化（滑動速度=0.96 m/s）

載荷敏感性：磨損率對載荷變化表現出強依賴性（圖6、圖7）。例如，PTFE+17%GFR在30 N時的磨損率（6×10-9 mm³/N·m）比5 N時（3.63×10-8 mm³/N·m）降低83%，表明高載荷下增強材料的承載能力優勢更顯著。但純PTFE在20 N后磨損率回升（圖6），可能與臨界表面能突破導致的塑性變形加劇有關。

4. 微觀機制與轉移膜作用

顯微觀察（圖8）揭示了材料磨損機制的差異：

圖8 5 N載荷和0.64 m/s速度下盤磨損表面的顯微照片：（a）PTFE，200倍，（b）PTFE+17%GFR，200倍，（c）PTFE+25%青銅，200倍，（d）PTFE+35%C，200倍

純PTFE與玻璃纖維增強PTFE形成均勻致密的轉移膜（圖8a-b），有效隔離對磨面直接接觸，這是其低磨損率的關鍵。

青銅/碳填充PTFE的轉移膜存在局部破裂（圖8c-d），填料顆粒可能破壞膜連續性，導致磨損率略高于玻璃纖維增強材料。

5. 材料性能排序與機理

綜合摩擦學性能排序為：PTFE+17%GFR > PTFE+25%青銅 > PTFE+35%C > 純PTFE。這一結果歸因于：

玻璃纖維通過提升機械強度和促進穩定轉移膜形成，實現最優耐磨性。

金屬/碳填料雖提高硬度，但可能因與基體界面結合較弱而限制性能提升。

純PTFE的分子鏈易剪切特性導致耐磨性最差，但自潤滑性使其在低載荷下仍具應用價值。