炭素材料的摩擦性能 (friction property of carbon materials)

经常以摩擦和磨损来衡量机器和结构零件的效率和寿命，摩擦和磨损是在压力作用下相互接触的两物体(摩擦偶)，在其接触面相对运动时所引起的现象。阻止物体的运动，并使运动速度减慢和停止的力叫做摩擦力(F)或介质阻力。摩擦力的方向与运动切向力的方向相反，通常把摩擦力与施加在摩擦部件的垂直负荷(N)之比值称为摩擦系数(μ)，即岸=F/N。摩擦引起的能量损失(如摩擦热)使机器效率降低及寿命缩短，所以近代技术要求尽力减少摩擦偶的摩擦系数。摩擦与磨损的对立面是润滑。润滑的目的则是降低摩擦，减少磨损。耐磨及润滑材料种类繁多，但既能耐磨又能自润滑的材料却很少。

石墨对各种材料的摩擦系数石墨作为耐磨材料是因为石墨对各种材料的表面都有较高的附着性。石墨晶体有易于沿晶体层面剥离的特点，当石墨部件处于两个摩擦面之间时，由于形成一层极薄的石墨晶体膜而使摩擦系数显著降低，石墨在20℃时对各种石墨材料的摩擦系数见表1所示。

石墨材料的摩擦特性石墨材料与金属摩擦时，在两个摩擦面上所形成的定向晶体膜，是由石墨材料剥离下来的石墨颗粒所组成。由于石墨晶体剥离时所产生的不饱和键，致使晶体膜与摩擦面一般鬻纛霪麓i霾都具有足够的连接强度，经过一段时间在金属及石墨表面形成石墨薄膜，其厚度及定向程度都达到一定的值，即开始时对石墨的磨损较快，以后即降到恒定的值。洁净金属一石墨摩擦面的定向程度最好，黏附力最大，这种摩擦面可以保证摩擦终了时的磨损率及摩擦系数最小。石墨材料与各类材料在空气中的摩擦，不论是静摩擦系数还是动摩擦系数都在0.3左右，不算特别小，但是使用石墨材料时不需要加润滑油，并且能耐加压下的滑动接触。石墨耐磨制品是炭素制品生产的分支之一。

石墨材料所以能起自润滑作用，主要是因为石墨层面与层面之间结合力弱，易于相对滑动的缘故。当石墨在金属表面形成石墨薄膜层后，就成为石墨与石墨之间的摩擦。在水和空气存在的情况下，石墨工作面上吸附水和气体分子，增大了层面间距离，减弱了层面间的引力，另外，水和气体分子占据了石墨边缘自由键的位置，这两个因素都使石墨两摩擦面不易附着，由此可见，石墨的自润滑性有赖于水和空气的存在。作为润滑材料的石墨制品，工作环境中水分临界值为5g/m³，低于此值，则石墨磨损率增大。

对于实际应用来说，石墨材料的耐磨性能与滑动速度和单位压力的关系则具有更现实的意义。由于石墨材料的热导率很高，耐热性能优良，因而滑动速度对摩擦系数和磨损率的影响甚微。滑动速度增大，一般会使摩擦面的温度升高，摩擦材料发生不可逆变化，并使其耐磨性能降低。石墨材料的高热导率，有助于自摩擦面把热量很快传开，以便在临近固定的温度条件下使材料内部及其摩擦面的温度得到平衡。已经形成石墨薄膜的摩擦面，在一定的压力范围，磨损速度保持恒定，如果压力继续加大，会使定向薄膜剧烈破坏，磨损率及摩擦系数也相应很快提高。对于不同的石墨一金属摩擦面来说，其“过渡”允许压力在很大范围内变化，在所有情况下，允许压力越高，摩擦面上所形成的石墨薄膜的定向程度就越好。

在-200℃到2500℃的温度范围内，石墨材料的强度随温度升高而增大，同时，无论是正温或是负温下，其摩擦系数都是随温度升高而降低。但是在温度300-400℃的空气介质中，有时由于石墨受强烈氧化而导致摩擦系数增高。实践证明，石墨轴承在温度300-1000℃的中性或还原性介质中完全好用。用金属或树脂浸渍的石墨质耐磨材料，适合在100%的气体介质中或液体中工作，但其使用温度范围受到树脂的耐热性能与金属熔点的限制。