近几十年来，随着科学技术的发展，人们对材料的使用要求也越来越高，普通的均一单质的材料已经不能满足不断增长的多方面的需求。因此它们的应用也受到限制，各种新型的先进材料也应运而生。先进材料的种类很多，包括以金属和非金属材料为基体的具有各种充填物的复合材料。在本书中，我们只介绍先进高分子材料。为了改善纯高分子材料的力学性能，一般加入增强纤维如玻璃、碳及石棉或纤维编织物，以及各种金属粉、氧化物等的颗粒填充组成复合型高分子材料。
就摩擦磨损方面来说，不同填料对高分子材料摩擦磨损性能的改善程度是不同的，其相关机理也不相同，如铜粉、铝粉、青铜粉等填料主要靠自身的抗蠕变性、抗压强度、硬度及尺寸稳定性来提高复合材料的耐磨损性能；而铅粉、石墨、二硫化钼、氮化硼等填料主要是靠其自润滑性、热稳定性、耐化学稳定性的特点来弥补高分子材料的不足；还有一些填料是靠自身的补强性能来提高高分子材料的摩擦磨损性能，如碳纤维、玻璃纤维、织物、晶须等。
由于构成先进高分子材料的填料可以起到各种不同的作用，因此选择合适的方法对其分类在高分子材料摩擦研究领域显得比较重要，国外有人提出根据填料在材料中所起的两种作用进行分类：①填料用来改善整体性能；②填料用来改善界面性能。这样，可以把先进高分子材料分成两类：整体改性材料(在软质基体中加入硬而强的填料);界面改性材料(在硬而强的基体中加入软而具有润滑性的填料)。
20世纪90年代，国外有人系统研究了固体润滑剂、无机填料等对高分子材料摩擦磨损行为的影响。相比无机填料，固体润滑剂(如聚四氟乙烯、石墨等)可以使摩擦系数和磨损率同时降低；其中聚四氟乙烯，而石墨次之。对于金属填料，其摩擦磨损结果比较复杂，主要依赖于填料和高分子材料的性能。另外，填料对磨损率的影响往往存在一个最佳填充比。有人研究了二硫化钼、石墨、玻璃纤维、碳纤维等填料对聚四氟乙烯的改性的影响，结果发现填料可使聚四氟乙烯的磨损率降低2个数量级；硬质填料比软质填料效果要好，但是硬质填料却使摩擦系数提高。另有研究发现[25,26],液晶材料能明显改善聚四氟乙烯的耐磨性能，而摩擦系数略有上升。在高温下熔融的液晶聚合物具有很好的流动性，在合金体系中沿磨损率的空隙向周围迁移流动形成微纤，在合适的配比下，这些微纤相互连接，在基体内形成致密而均匀的立体网络，起到了增强作用，从而改善聚四氟乙烯的耐磨损性能。文献27发现，不同的填料对聚四氟乙烯的磨损性能的影响差别很大(图5-4),添加Pb₃O₄、Cu、Si₃N₄填料的PTFE磨损率较小，即此类填料对耐磨性能的改善较好，材料的磨损性能主要与对偶表面的转移膜的形态有关。巴哈杜尔等研究了CuS对PEEK摩擦磨损性能的影响，发现：在单独加入CuS的条件下，随着CuS含量的增加，虽然PEEK的摩擦系数一直呈稳定的上升趋势，但是PEEK的耐磨损性能提高了2~3倍。国内有研究者对聚四氟乙烯使用稀土进行改性处理后，基体的磨损率降低了1或2个数量级，研究证明稀土的加入具有细化晶粒和润滑的作用。
概括起来说，高分子材料的摩擦磨损行为属于动态的系统问题，其影响因素涉及载荷、速度、温度、表面接触状态、环境条件等诸多因素。高分子材料具有黏弹性特征以及不良的导热性和较低的热稳定性，这些特性将使其摩擦磨损性能与广泛使用的金属材料明显不同。另外，高分子材料的分子结构、相对分子质量大小、元素和官能团排列以及填充材料组分、组合、用量比例等也会对材料摩擦磨损性能产生很大的影响。
1.工况条件的影响
高分子材料所涉及的工况条件主要有压力(P,载荷)、速度(v)及工作温度(T)等，使用压力对其性能的影响比较明显。表5-7给出了常用高分子材料的使用参数。可以看出：材料的强度越高、刚性越大、摩擦副的减摩自润滑性能越好，摩擦副的承载能力就越大。
有研究者探索了碳纤维(CF)等无机填料增强的聚四氟乙烯材料在低、中、高载荷下的摩擦磨损行为：材料的摩擦系数随载荷的增大而降低；在低、中载荷下，材料的磨损率变化不大，但在较高载荷下，其磨损率明显增加。对不同载荷下磨损与变形的相关研究表明，在载荷达到一定极限值之前，材料一直保持相当低的磨损率，而当使用载荷接近或超过此极，材料呈现明显的磨损。
速度和温度对高分子材料承载能力也有很大的影响。通常，在速度增加时，高分子材料相应的承载能力都有不同程度的降低，这主要是由于摩擦功耗及摩擦偶件热负荷的增大，将导致表面工作温度的上升，从而造成表层材料性质变化和摩擦润滑状况的劣化所致。另外，随着环境温度的提高，在相同的速度、载荷条件下，摩擦副的摩擦磨损性能将显著降低。需要指出，由于材料特性的差异，温度对不同高分子材料的承载能力的影响规律各不相同，常温下聚甲醛和尼龙的压缩强度远大于聚四氟乙烯；但随着温度的升高，二者的承载能力迅速下降，丧失了在机械强度性能方面的优势。
2.增强组分与高分子基体的协同效应
通常，具有减摩性的高分子材料与金属材料配副使用时，显示出良好的摩擦磨损行为，但是高分子材料存在着屈服强度低、抗蠕变、耐高温能力差、导热性不良以及热膨胀系数大等缺陷。通过加入某些增强组分并通过合理的配方设计，可以改善某一方面或几方面的性能要求。配方组分的选择应通过模拟试验确定，特别需要关注填充组分与高分子基体的复合协同作用。例如，在聚四氟乙烯中加入15%~25%的玻纤可以使耐磨性能提高100~1000倍；但是，同样的玻纤填充到尼龙中也作为轴承材料，却容易发生卡轴事故。总起来说，不同的高分子基体、不同的环境条件、不同的润滑状况，对于减摩和增强填充材料都有一个最佳组合的问题。高分子基体和填充组分之间的协同效应好，与工况条件相匹配，材料的摩擦磨损特性和综合性能就越好。
高分子纳米复合材料的摩擦学行为
自20世纪80年代开始，人们发现当材料的特征尺度降低到纳米尺度时，会出现明显不同于宏观尺度下常规材料的一些全新的性质，形成了一个全新的研究领域；而在摩擦学领域，纳米材料也逐渐得到了广泛的研究，部分成果也已经得到应用。
纳米效应与纳米摩擦学
纳米材料在电学、磁学、光学、热学、化学和力学性能等方面表现出常规材料所不具备的奇异性能。主要是由于其有如下四个效应：①表面效应；②小尺寸效应；③量子尺寸效应；④宏观量子隧道效应。
纳米摩擦学或称微观摩擦学或分子摩擦学，是在原子、分子尺度上研究摩擦界面上的行为、损伤及其对策。纳米摩擦学狭义上主要研究内容包括纳米薄膜润滑和微观摩擦磨损机理，以及表面和界面分子工程，即通过材料表面微观改性或分子涂层，或者含在纳米尺度上对摩擦表面改性和排布原子，发展表面和界面分子工程；从广义上来说，只要摩擦学系统中涉及纳米级尺度的问题都可归属于纳米摩擦学的研究范畴。
5.6.2典型纳米填料改性高分子材料的摩擦磨损性能
20世纪90年代初期，中科院兰州化物所的科研人员较早进行了优良性能的高分子纳米复合材料摩擦学的研究工作，考察了加入Si₃N₄纳米颗粒的PEEK材料[34]的摩擦学性能；材料的摩擦系数随纳米颗粒含量的增加而下降，而磨损率随纳米颗粒含量的增加先下降而后上升。载荷增大后，摩擦系数和磨损率都明显降低。进入21世纪，聚四氟乙烯纳米复合材料的摩擦学行为才有正面结果的报道，人们首先对ZnO纳米颗粒改性PTFE的摩擦学性能进行研究[35];结果表明，随着摩擦速度的增加，改性后的PTFE的摩擦系数有所降低；随载荷的增加，其摩擦系数明显下降。就PI纳米复合材料来说，随着Al₂O₃纳米颗粒含量的提高，材料的摩擦系数和磨损失重均呈现先降低后增加的趋势[36];而PI中加入纳米LaF₃颗粒后(37),其耐磨性的改变也存在类似关系。
人们对高分子纳米复合材料的摩擦学机理进行了讨论，认为[34-36]:在摩擦磨损过程中，PEEK、PTFE、PI等会在对偶件表面形成一层转移膜，纳米颗粒加入后，这层转移膜的强度增加，高强度的转移膜使得磨损表面光滑，磨屑少，保证摩擦副具有更低的摩擦系数和磨损率；但过量纳米颗粒的加入，将可能导致界面强度的降低而使磨损率升高。
其他比较典型的高分子基体材料还有环氧树脂和尼龙等。就环氧树脂与碳钢配副来说，经Si₃N₄纳米颗粒改性后，系统的摩擦系数与环氧树脂的磨损率均明显下降[38];存在一个Si₃N₄纳米颗粒的合适添加比例使摩擦磨损性能，但磨损性能与摩擦性能的最佳加人量并不一致。就尼龙材料来说，添加SiC纳米颗粒后，可使尼龙66的耐磨性提高，但过量SiC纳米颗粒加入(>10%),也会导致磨损的增加[39]。
另一方面，许多文献对常规微米级填料与纳米填料的协同作用进行了探索。在石墨填充后PTFE材料，再加入纳米颗粒后，材料的摩擦磨损性能有可进一步得到改善，如有人[40]对SiO₂、TiO₂等纳米颗粒与石墨混合填充PTFE复合材料的摩擦磨损性能进行了研究；结果表明，由于填充材料的支承作用和石墨的润滑作用，形成了具有高强度减摩特性的转移膜，材料的磨损性能显著优于单一加入纳米颗粒条件下，其中以纳米SiO₂和石墨共同填充PTFE复合材料的磨损质量损失最小。 ,20世纪90年代出现的一维纳米颗粒-碳纳米管对高分子材料摩擦学行为影响也有许多报道。碳纳米管加入到PTFE材料中后，改变了PTFE的微观结构，阻碍了PTFE在摩擦过程中纤维状结构的大面积破坏，极大地提高了PTFE复合材料的耐磨性能并使其具有一定的自润滑性[41],随着其填充量的增加，PTFE基复合材料的摩擦系数与磨损率呈下降的趋势。当碳纳米管在PTFE基复合材料中的体积分数为15%～20%,碳纳米管/PTFE复合材料的磨损率仅为纯PTFE的1/240和1/290;而含有15%～20%石墨的相应的复合材料其磨损率只是纯PTFE的1/50(见图5-5)
纳米填料与微米填料摩擦磨损行为的比较
用纳米复合材料代替微米复合材料的有效性在许多实验室得到验证。Rong等比较了微米TiO₂和纳米TiO₂(10nm)对环氧耐磨性的影响。研究结果表明，TiO₂纳米粒子能够显著地降低环氧的磨损率，但是微米TiO₂粒子做不到。Ng等人在更早的报道中也有类似的结论。Yu及其合作者研究了微米铜微粒以及纳米铜微粒填充的聚甲醛(POM)复合材料的摩擦学性能。微米铜改性POM复合材料的磨损特征是擦伤和黏着，而纳米铜的是塑性变形，因此磨耗量降低。Xue和Wang发现与微米SiC相比，纳米SiC可以使聚醚醚酮(PEEK)的磨损率降得更低。这是因为在碳钢环和纳米SiC填充的复合材料摩擦块的配合面上，可形成薄而均一、黏性的迁移膜。
因为纳米填料可以赋予聚合物特殊的功能，而微米复合材料做不到这些，所以纳米复合材料成为耐磨材料和润滑材料家族的重要一员。这是一个既有理论意义又有实际意义的课题。要作为摩擦学应用材料，高分子纳米复合材料必须同时满足4个相互关联的条件：组分选择、低成本工艺、制造和性能。人们对这几方面及其之间的相互依赖性的认识还处于初级阶段，并不了解。但是，复合材料的最终应用要求将催生出许多新的观点和看法。
