Nanomechanical Filler Functionality Enables Ultralow Wear Polytetrafluoroethylene Composites

材料科学 复合材料 纳米压痕 聚四氟乙烯 断裂韧性 填料(材料) 复合数 摩擦学 韧性 多孔性 陶瓷 结块 缩进 粒子(生态学) 相(物质) 化学 有机化学 地质学 海洋学
作者
Mark A. Sidebottom,Tomas F. Babuska,Sifat Ullah,Nathan Heckman,Brad Boyce,Brandon A. Krick
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:14 (48): 54293-54303 被引量:7
标识
DOI:10.1021/acsami.2c13644
摘要

Surprisingly, certain α-phase alumina filler particles at one to five weight percent can reduce the wear rate of polytetrafluoroethylene (PTFE) by 10,000 times, while other, seemingly comparable α-phase alumina particles provide only modest─by PTFE composite standards─100 times improvements. Detailed studies reveal that size, porosity, and composition of the particles play important roles, but a quantitative metric to support this mechanism is yet to be developed. We discovered the mechanistic importance of friability of the particles, for example, the ability of the particles to fragment at the sliding interface. This work establishes the importance of functionally friable metal-oxide filler particles in creating ultralow wear PTFE–metal-oxide composite systems. We used in situ nanoindentation/electron microscopy experiments to characterize the fracturability of candidate filler particles. A mechanistic framework relating apparent particle fracture toughness and wear is established, where porous low-apparent fracture toughness particles were observed to promote ultralow wear by breaking up during sliding and forming a thin, robust tribofilm, while dense, high-apparent fracture toughness particles abrade the countersurface, limiting the formation of ultralow wear promoting tribofilms. This framework enables use of a new metric to select filler particles for multifunctional, ultralow wear PTFE composites without relying solely on empirical tribological tests of polymer composite materials.
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