高分子聚合物材料以其优良的摩擦学性能和较低的成本优势被广泛运用于轴承、人造关节、空间润滑、发动机密封等工业密封润滑领域。一方面,随着科技的进步和应用领域的不断拓展,聚合物自润滑材料所要面对的工作环境和性能要求也更加特殊与苛刻,这就需要对聚合物材料进行增强改性处理,以满足低摩擦系数、高耐磨性能和强承载能力的需求。另一方面,聚合物材料做为摩擦副零部件与对偶接触表面产生相互摩擦运动时,聚合物中的一部分物质会从基体中脱离,并且转移附着在对偶摩擦表面上,从而形成一层被称之为“转移膜”的薄膜状介质过渡层。转移膜的产生及其特性直接改变了聚合物材料的摩擦接触环境,从而间接影响到产品摩擦副零部件之间的摩擦学性能,并最终影响到整个产品和设备的工作性能与使用寿命。为此迫切需要对聚合物摩擦副表界面间的摩擦转移机制和转移膜的形成机理与演变规律进行相关研究。本文采用试验分析与理论研究相结合的方法,以聚合物自润滑材料的摩擦机理和转移膜的形成机制为研究目标,主要研究内容和成果如下:(1)提出采用硬质纳米粒子和软质聚醚醚酮(PEEK)颗粒对聚四氟乙烯(PTFE)进行改性处理,考察了软硬增强相对PTFE复合材料摩擦学性能的增强机理,以及对转移膜特性的影响。研究结果表明,由于PTFE基体的抗剪切力差,致使分子链之间容易产生滑移运动,并且在对偶摩擦表面上难以形成完整的转移膜,从而导致PTFE较差的耐磨性能。硬质纳米粒子能够嵌入到对偶摩擦表面,从而起到机械锚固转移膜的作用,增强了转移膜的附着强度,并且提高了PTFE复合材料的力学及热力学性能。软质PEEK颗粒能够有效抑制PTFE分子链间的层间滑移,同时能够起到对硬质纳米粒子的包裹作用,减弱了硬质磨屑对转移膜的刮擦破坏。因此,PEEK和纳米粒子能够协同增强PTFE复合材料的摩擦学性能。(2)搭建了动态环-块摩擦磨损试验装置,建立了瞬时体积磨损率计算公式,并对环-块摩擦结构进行有限元分析。研究结果表明:瞬时体积磨损率能够准确地衡量摩擦过程中材料磨损情况的变化趋势,以此为依据可以将PTFE复合材料的摩擦过程按照磨损程度分为:初始磨损阶段、严重磨损阶段和稳定磨损阶段。PTFE复合材料在严重磨损阶段,瞬时体积磨损率会出现峰值。通过有限元分析,样品摩擦界面的边界处磨损情况严重,摩擦接触面积逐渐增大导致磨屑在摩擦界面上的留滞与滚动时间增长,起到了“三体摩擦”的作用。(3)采集PTFE复合材料不同摩擦阶段的转移膜样品,分析研究转移膜的形成机理、影响因素和演化规律,以及转移膜与PTFE复合材料摩擦学性能之间的相互影响关系。研究发现,协同添加纳米粒子和PEEK颗粒的PTFE复合材料能够快速形成稳定均匀的转移膜。一方面,硬质纳米粒子有利于提高转移膜的成膜速率,并且纳米粒子能够与对偶金属表面发生螯合反应和摩擦烧结作用,促进基体材料向对偶摩擦表面转移,形成较厚的转移膜。但是纳米粒子在摩擦后期会对转移膜产生刮擦作用,破坏了转移膜的均匀性完整性。另一方面,软质PEEK颗粒能够有效抑制硬质磨屑对转移膜的刮擦破坏,提高转移膜的牢固度,有利于保持转移膜的完整性和一致性。(4)建立转移膜图像识别及形态特征量化程序。首先对转移膜图像进行增强处理、边缘提取分离;然后对转移膜的形态和纹理特征进行提取和定量化处理;最后建立转移膜形态特征与摩擦学性能之间的量化关系模型。研究发现,转移膜面积覆盖率、单个转移膜面积、均值、三阶矩和一致性的变化规律与PTFE复合材料的磨损率变化趋势表现出了良好的相关性。因此可以采用这5种转移膜形态特征指标作为转移膜成膜质量的评价依据,并且以此间接评价PTFE复合材料的摩擦磨损性能。(5)引入分子动力学,建立PTFE复合材料的限制性剪切摩擦模型,探讨PTFE复合材料在原子尺度上的摩擦机理与转移机制。研究发现,PTFE在原子尺度的摩擦过程中,其内部表现出了较差的抗剪切能力,基体内部出现了明显的层间滑移摩擦,并导致内部摩擦温度升高。PEEK能够对PTFE起到吸附作用,使二者之间形成牢固的结合力,从而提高了PEEK/PTFE的抗剪切变形能力,抑制了基体内部的滑动摩擦,并减少了分子链向铁原子层的移动。纳米粒子能够使PTFE基体在摩擦过程中保持良好的稳定性和整体性,大幅提高了PTFE基体的抗剪切能力。