在众多聚合物中,聚四氟乙烯(PTFE)凭借良好的摩擦性能,广泛应用于航空工业、机械、电子电器等领域。PTFE作为一种理想的自润滑材料,在高载、低速滑动工况下摩擦因数可低至0.04左右,但因其存在硬度低、易磨损等缺陷,限制了单相PTFE材料的应用范围。通过研究发现,玻纤(GF)填充PTFE不仅能够提高PTFE材料的硬度,改善力学性能,还能减少磨损量。针对GF填充PTFE,传统的研究主要依靠试错法来确定GF的含量,导致根据混合法则确定的GF/PTFE复合材料的杨氏模量与实际测量值存在较大差异,限制了有限元模拟在聚合物复合材料中的应用。因此,本论文采用有限元建立细观模型和材料本构模型的方法来研究GF/PTFE复合材料的力学性能,并通过摩擦设备进一步探索其摩擦磨损性能,以期为GF/PTFE复合材料在机床导轨上的应用提供理论支撑。本文的主要研究内容如下:(1)利用Python语言编写脚本文件对ABAQUS的前处理模块进行二次开发,建立短切GF随机分布的三维几何模型,并选用代表性体积单元(Representative volume element,RVE)进行模拟计算,采用线性四节点四面体单元(C3D4)对其进行网格划分。同时为确保RVE应力场的均匀协调性,对其施加一般周期性边界条件,并进行均匀化处理。(2)有限元分析结果的准确性与材料的本构模型有着密切关系。在本研究中,使用Fortran语言编写UMAT子程序来定义GF/PTFE复合材料的本构模型,以提高运算结果的准确性。通过查阅大量文献,GF填充量在体积分数为15%～25%时,GF/PTFE复合材料性能较好,但无法确定该类材料达到最佳性能时具体的数值。因此,本文以GF填充体积分数为15%时的复合材料为研究对象构建本构模型,以验证有限元模型(包括几何模型和本构模型)的正确性,为后续研究奠定基础。(3)通过实验测量复合材料的弹性模量、泊松比、拉伸应力及压缩性能。实验结果表明,加入GF可提高GF/PTFE复合材料的弹性模量,经偶联剂处理之后的GF/PTFE复合材料性能更好,但拉伸应力则低于纯PTFE。此外,加入GF也可提高GF/PTFE复合材料的压缩性能。将仿真结果与实验结果对比发现,15%GF/PTFE复合材料的弹性模量和泊松比与实验值基本吻合。分析其位移分布图发现,位移主要沿着受力方向发生变化,此时基体起承力作用,位移场沿X方向呈现不均匀性。应变则主要集中在基体处,且与纤维相接触的地方更为明显。分析应力分布云图发现,应力集中在纤维处,且在端部与基体相接触的地方最大。当纤维与受力方向夹角较大时,纤维承受应力降低,因此若要使纤维承受较大应力,只需使载荷方向与纤维取向夹角较小即可。分析压缩性能仿真结果,应变主要集中在纤维处,且应变大小与纤维取向和载荷夹角相关,应力则主要集中在基体部分。(4)在干摩擦条件下,GF/PTFE复合材料的摩擦因数与实验过程中施加载荷大小密切相关,摩擦因数与载荷之间呈正增长现象,但在油润滑条件下与之又有所不同,随载荷变化呈现先降低再升高的趋势。在同一载荷下,摩擦因数变化规律为:纯PTFE<表面处理GF/PTFE复合材料<未处理GF/PTFE复合材料;磨损率变化规律为:纯PTFE>未处理GF/PTFE复合材料>表面处理GF/PTFE复合材料。观察磨损表面形貌图可得,纯PTFE复合材料磨损表面有较多划痕,且有部分磨屑黏附在摩擦表面上,发生磨粒摩损和粘着磨损。未经表面处理的GF/PTFE复合材料磨损表面会有纤维脱落留下的凹坑;随着载荷的增加,GF颗粒脱落现象更为明显,造成磨粒磨损而使摩擦表面更为粗糙。经偶联剂表面处理的GF/PTFE复合材料分子间结合力较好,并未发现明显的凹坑和基体剥落现象,GF与PTFE基体之间结合牢固,因而摩擦表面较为光滑。