聚四氟乙烯/聚醚醚酮復合保持架材料性能試驗分析

王楓, 孫小波, 時連衛

(洛陽軸研科技股份有限公司，河南 洛陽 471039)

聚四氟乙烯(PTFE)是優良的軸承用固體自潤滑保持架材料，在摩擦過程中，易于在對偶面上形成轉移膜，變為PTFE材料間的摩擦，從而具有極低的摩擦因數。但是其硬度低、不耐磨、易冷流，線脹系數大、抗壓縮性能差，且其熱變形溫度低，用作軸承保持架材料時不適于承載大及轉速較高的工況。聚醚醚酮(PEEK)是一種新型半晶態芳香族熱塑性特種工程塑料，強度高、耐磨損、耐蠕變及尺寸穩定性好，兼備韌性和剛性[1]，具有較高的熱變形溫度；當PEEK及其復合材料與金屬材料相互對磨時，通常在金屬表面形成聚合物轉移膜，從而具有自潤滑效應。PEEK是繼PTFE之后的又一類倍受歡迎的減摩耐磨材料。

下文以PTFE為基材，PEEK為共混增強改性材料，制備出PTFE/PEEK復合保持架材料，重點研究PEEK添加量對PTFE力學性能、摩擦磨損性能及熱性能的影響。

1 試驗材料及方法

1.1 材料

試驗用材料為：PTFE，粒徑40 μm； PEEK 450PF，粒徑75 μm。PEEK易吸潮，吸濕率約0.5%，故需做干燥處理。干燥處理時原料厚度不超過25 mm，在150 ℃下干燥3 h或160 ℃下干燥2 h，使含水量降至0.1%以下，取出后密封備用。

取適量PTFE和PEEK，加入到高速組織搗碎機，高速攪拌3次，每次15 s，轉速為10 000～12 000 r/min；之后使用20倍顯微鏡觀察復合材料，若無明顯色差即為合格。將不同配比的PTFE/PEEK混合料冷壓成型后燒結制備出PTFE/PEEK復合材料。

1.2 試驗方法

采用DNS20型電子微控萬能試驗機測試保持架復合材料的抗拉強度和抗壓強度；采用XJJD-50電子簡支梁沖擊試驗機按照GB/T 1043—2008對保持架復合材料的沖擊韌度進行測試；采用TMK-0型摩擦磨損試驗機測試保持架復合材料的摩擦磨損性能，復合材料試樣和對偶件經1 000#金相砂紙打磨至表面粗糙度Ra=0.03 μm，試驗條件為干摩擦，載荷為140 N，滑動速度為2.56 m/s，時間為30 min；利用微機控制熱變形溫度測量儀測試復合材料的熱變形溫度，彎曲應力為1.80 MPa，升溫速率為120 ℃/min；采用V-SD型邵氏硬度計測試復合材料的硬度。

2 結果及分析

PTFE/PEEK復合材料中PEEK含量(質量分數)對復合材料性能的影響分析如下。

2.1 抗拉強度

圖1所示為PEEK添加量(質量分數)對PTFE復合材料(環狀試樣)抗拉強度的影響。從圖中可以看出，隨著PEEK添加量的不斷增加，復合材料的抗拉強度呈不斷下降趨勢，當添加的PEEK質量分數為15%時，復合材料的抗拉強度為17 MPa。這主要是由于PEEK與PTFE結構差別大，界面結合性相對較差，在壓制和燒結過程中兩相間不能完全互熔，界面間存在間隙，從而使得復合材料的抗拉強度下降。為了保證復合保持架材料具有一定的抗拉強度，添加的PEEK質量分數不宜超過20%。

圖1 PEEK添加量對PTFE復合材料抗拉強度的影響

2.2 沖擊韌度

PEEK添加量對PTFE復合保持架材料沖擊韌度的影響見表1。從表中可以看出，隨著PEEK添加量的增加，復合保持架材料的沖擊韌度呈下降趨勢。當添加的PEEK質量分數為15%時，復合保持架材料的沖擊韌度為45.0 kJ/m2。添加PEEK后，PTFE內部連續相遭到破壞，沖擊韌度不斷下降；但隨著PEEK添加量繼續增大，復合保持架材料的沖擊韌度下降幅度降低，當添加的PEEK質量分數為35%時，沖擊韌度下降到最小值，且隨著PEEK添加量繼續加大，復合材料的沖擊韌度幾乎不變，這可能是由于PEEK添加量達到一定程度時，復合材料就逐漸失去了PTFE的柔韌性。

表1 PEEK添加量對PTFE復合材料沖擊韌度的影響

2.3 抗壓強度

PEEK具有較好的剛性，添加后可使PTFE復合材料的抗壓強度增大，當添加的PEEK質量分數為15%時，復合材料抗壓強度為38 MPa，比純PTFE提高近3倍，如圖2所示。此外，幾種傳統的PTFE基復合材料的抗壓強度對比情況也可以從圖2中看出，當增強組分為最佳添加量(15%)時，PTFE/PEEK復合保持架材料的抗壓強度較高。這可能是由于PEEK與PTFE同屬于聚合物，界面結合情況優于PTFE與無機增強材料合成的復合材料；且PEEK剛性好，結晶度大，自身抗壓強度高，導致共混改性制得的PTFE/PEEK復合保持架材料抗壓強度較大。

圖2 常用PTFE基復合材料的抗壓強度

2.4 硬度

PEEK添加量對PTFE復合保持架材料邵氏硬度的影響見表2。從表中可以看出，隨著PEEK添加量的增加，復合材料的邵氏硬度逐漸增大。這是由于PEEK硬度較大，在復合材料中有效地承擔載荷，增強材料硬度，也使PTFE/PEEK復合材料承載能力得以提升。硬度的提高可減小復合材料在摩擦接觸表面的變形程度，增強復合材料的抗切削能力[2]，有利于提升PTFE/PEEK復合保持架材料的耐磨能力。

表2 PEEK添加量對PTFE復合材料邵氏硬度的影響

2.5 熱變形溫度

不同PEEK添加量對PTFE/PEEK復合保持架材料的熱性能影響如圖3所示。從圖中可以看出，添加PEEK能有效提升復合材料的熱變形溫度，復合材料的熱變形溫度隨著PEEK添加量的增加幾近呈線性增加。這主要是由于PEEK耐熱性好，剛性強，在PTFE基體中添加PEEK后可使復合材料的剛性及耐熱性增強，致使熱變形溫度提高，這也是PTFE/PEEK復合材料耐磨性能得以改善的又一原因。

圖3 PEEK添加量對PTFE復合材料熱變形溫度的影響

2.6 摩擦磨損

不同PEEK添加量對PTFE/PEEK復合保持架材料摩擦磨損性能的影響如圖4和表3所示。從圖中可以看出，當PEEK添加量較小時，摩擦因數較低，主要是由于轉移膜以純PTFE片狀磨損為主，隨著PEEK添加量逐漸增加，復合保持架材料的摩擦因數呈上升趨勢，當添加的PEEK質量分數為15%時，復合材料的摩擦因數最大，磨損量趨于平穩。隨著PEEK添加量的增加，轉移膜逐漸變為PEEK增強PTFE基復合材料磨損物，轉移膜的黏著強度、耐溫性及硬度逐漸增強，慢慢地兩對磨面變成了復合材料轉移膜之間的磨損，所以摩擦因數又逐漸變小，但仍然比純PTFE摩擦因數大。

圖4 PEEK添加量對PTFE復合材料摩擦磨損性能的影響

從表3中可以看出，隨著PEEK添加量的增加，PTFE/PEEK復合保持架材料的磨痕寬度和磨損量逐漸下降。這主要是由于純PTFE磨損過程發生嚴重的粘著磨損，PEEK的添加改變了基體PTFE的磨損機制，剛性PEEK粒子起到了支撐作用，阻止了PTFE大分子的帶狀撕離，片狀磨損逐漸變小，復合材料耐磨性得以改善，磨損量降低[3]。這也可以從PTFE/PEEK復合保持架材料硬度變大得到解釋。

表3 PEEK添加量對PTFE復合材料磨痕寬度的影響

3 結論

(1)添加PEEK可以有效地改善PTFE復合保持架材料的耐磨性，提高抗壓強度、硬度及熱變形溫度。

(2)含有質量分數為15%的PEEK的PTFE復合保持架材料具有最佳的綜合性能，抗拉強度為17 MPa，沖擊韌度為45.0 kJ/m2，邵氏硬度為63 SD，抗壓強度為38 MPa(比純PTFE提高近3倍)，熱變形溫度為102 ℃，摩擦因數為0.29，磨痕寬度為3.7 mm，磨損量為3.4 mg。