耐磨高分子材料/鈦合金的粘接性能研究

辛存良，何世安

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十六研究所，安徽 合肥 230043）

耐磨高分子材料/鈦合金的粘接性能研究

辛存良，何世安

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十六研究所，安徽 合肥 230043）

選用耐磨高分子材料/鈦合金為摩擦副，分析了聚四氟乙烯、聚醚醚酮分別與鈦合金的摩擦試驗(yàn)情況。根據(jù)不同的表面處理方法，探討了等離子清洗對(duì)耐磨高分子材料和鈦合金粘接性能的影響。研究了固化工藝對(duì)粘接樣件粘接性能的影響。結(jié)果表明，經(jīng)等離子清洗后，80℃/8 h固化能夠使聚四氟乙烯/鈦合金粘接件的拉伸剪切強(qiáng)度達(dá)到2.6 MPa，同樣的固化工藝使聚醚醚酮/鈦合金粘接件的拉伸剪切強(qiáng)度達(dá)到了4.0 MPa。

摩擦系數(shù)；聚四氟乙烯；聚醚醚酮；鈦合金；剪切強(qiáng)度

耐磨高分子材料具有摩擦系數(shù)小、磨損量低、質(zhì)輕、耐腐蝕、易于加工和自潤(rùn)滑性能好等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)引起廣泛關(guān)注[1]。鈦合金因其強(qiáng)度高、耐蝕性好和較高的熱穩(wěn)定性等特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用在軍事工業(yè)和民用工業(yè)的眾多領(lǐng)域。而耐磨高分子材料（如聚四氟乙烯）和鈦合金因表面活性低而不易粘接。考慮到耐磨高分子材料和鈦合金本身的優(yōu)勢(shì)，可以很好地應(yīng)用在航空、航天、機(jī)械、交通和船舶等各個(gè)領(lǐng)域，并能起到關(guān)鍵性的不可代替的作用，因此，針對(duì)2者的協(xié)同作用進(jìn)行了研究。

本文選用的耐磨高分子材料為聚四氟乙烯和聚醚醚酮。聚四氟乙烯因其表面能特別低，為難粘材料[2]；而聚醚醚酮由于具有較低的磨損率，在低磨損材料中是最出眾的[3]。為了解決耐磨高分子材料和鈦合金不易粘接的問(wèn)題，對(duì)粘接材料進(jìn)行了表面處理分析，并研究了材料的粘接性能。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原料

聚四氟乙烯板、聚醚醚酮板：昆山市瑞力生塑膠材料有限公司；鈦合金板，無(wú)錫市德贏材料有限公司；環(huán)氧樹(shù)脂膠粘劑，三鍵化工（上海）有限公司；丙酮，市售。

1.2 儀器與設(shè)備

摩擦試驗(yàn)機(jī)，MGW-02型，濟(jì)南益華摩擦學(xué)測(cè)試技術(shù)有限公司；材料試驗(yàn)系統(tǒng)，M T S 8 1 0型，M T S S y s t e m s Corporation，USA；真空干燥箱，DZF-1B型，上海賀德實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司。

1.3 試樣制備

采用雙組分環(huán)氧樹(shù)脂膠粘劑，分別采用3種固化工藝條件進(jìn)行固化：40 ℃/24 h、80℃/8 h和100 ℃/4 h；粘接試樣均按一定規(guī)格尺寸切割；聚四氟乙烯板和聚醚醚酮板分別進(jìn)行超聲清洗和等離子處理；鈦合金板進(jìn)行噴砂后再分別進(jìn)行超聲清洗和等離子處理。試樣制備的流程圖見(jiàn)圖1。

圖1 試樣制備的流程圖Fig.1 Flow diagram of specimen preparation

1.4 性能測(cè)試

摩擦系數(shù)：采用摩擦試驗(yàn)機(jī)在常溫條件下對(duì)摩擦樣件進(jìn)行往復(fù)摩擦試驗(yàn)，摩擦?xí)r長(zhǎng)為8 h；

粘接性能：按照GB/T 7124—2008測(cè)試?yán)旒羟袕?qiáng)度。

2 結(jié)果與討論

2.1 摩擦性能

通過(guò)聚四氟乙烯、聚醚醚酮與鈦合金配對(duì)的摩擦副在摩擦試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行摩擦試驗(yàn)，測(cè)定了2種耐磨高分子材料在與鈦合金配對(duì)摩擦副時(shí)的摩擦磨損情況，結(jié)果見(jiàn)圖2和圖3。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，聚四氟乙烯在與鈦合金配對(duì)摩擦副具有很低的摩擦系數(shù)，為0.16，而聚醚醚酮的摩擦系數(shù)為0.43，高出聚四氟乙烯很多。從磨損量來(lái)看，聚四氟乙烯磨損較多，主要由于聚四氟乙烯本身結(jié)構(gòu)中非結(jié)晶部分的結(jié)構(gòu)容易滑動(dòng)，在與金屬組成摩擦副時(shí)，很容易形成轉(zhuǎn)移膜，而且轉(zhuǎn)移膜在對(duì)偶摩擦面的附著力不好，很容易剝落，轉(zhuǎn)移膜在摩擦過(guò)程中不斷地形成、剝落，因此聚四氟乙烯的磨損量較大[2]。而聚醚醚酮很少出現(xiàn)這種現(xiàn)象。因此，聚四氟乙烯適用于低摩擦系數(shù)的工況條件，而聚醚醚酮更適合于低磨損的領(lǐng)域。

圖2 聚四氟乙烯/鈦合金摩擦副的摩擦試驗(yàn)Fig.2 Friction test of PTFE/titanium alloy friction pair

圖3 聚醚醚酮/鈦合金摩擦副的摩擦試驗(yàn)Fig.3 Friction test of PEEK/titanium alloy friction pair

2.2 表面處理對(duì)粘接性能的影響

本文對(duì)粘接試樣分別進(jìn)行超聲清洗和等離子清洗。由于聚四氟乙烯很難粘接，因此在其表面處理后還進(jìn)行了鈉萘溶液的表面活化處理。為了增加鈦合金表面的粗糙度，對(duì)鈦合金表面進(jìn)行了噴砂處理，噴砂的粒徑為120目。

從剪切強(qiáng)度的測(cè)試結(jié)果可知，在超聲清洗的條件下，聚四氟乙烯/鈦合金粘接件的剪切強(qiáng)度為1.0 MPa，粘接件的破壞形式為界面破壞。而通過(guò)等離子清洗后的聚四氟乙烯/鈦合金粘接件的剪切強(qiáng)度為2.3 MPa，粘接面破壞形式為界面破壞和內(nèi)聚破壞的混合破壞形式。通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，等離子清洗后的粘接件比超聲清洗后的粘接件具有更好的粘接性能，因?yàn)槌暻逑粗饕獙蛹砻娴挠椭臀畚锴逑吹簦入x子清洗除了更徹底地將油脂和污物清洗掉之外，最主要的是通過(guò)等離子體的活性組分（包括離子、電子、活性基團(tuán)、激發(fā)態(tài)的核素和光子等）可使表面活化。等離子清洗還具有良好的均勻性、重復(fù)性和可控性，所以清洗效果明顯[4]。

2種清洗方法對(duì)聚醚醚酮/鈦合金粘接件粘接性能的影響為：在超聲清洗的條件下，粘接件的剪切強(qiáng)度為1.5 MPa，破壞形式為界面破壞；在等離子清洗的條件下，粘接件的剪切強(qiáng)度可達(dá)3.8 MPa，破壞形式為界面破壞和內(nèi)聚破壞的混合破壞形式。因此，等離子清洗更利于試樣粘接性能的提高。

2.3 固化工藝對(duì)粘接性能的影響

從表1可以看出，80 ℃/8 h固化粘接件的剪切強(qiáng)度最大，為2.6 MPa；而100 ℃/4 h固化剪切強(qiáng)度反而下降。可能是由于溫度過(guò)高，導(dǎo)致整個(gè)粘接面局部發(fā)生快速固化，一部分固化后的交聯(lián)點(diǎn)比較集中，而其他部分比較稀疏，表現(xiàn)出一定的脆性，在受力時(shí)容易發(fā)生脆性斷裂，因此粘接性能下降。粘接面的破壞形式是以界面破壞為主的混合破壞。

由表2可見(jiàn)，不同固化工藝對(duì)聚醚醚酮/鈦合金粘接件粘接性能的影響，和聚四氟乙烯/鈦合金粘接件類似。因此，80 ℃/8 h的固化工藝對(duì)于聚醚醚酮/鈦合金粘接件而言也是最佳的。

表1 固化工藝對(duì)聚四氟乙烯/鈦合金試樣粘接性能的影響Tab.1 Effect of curing process on bonding properties of PTFE/ titanium alloy

表2 固化工藝對(duì)聚醚醚酮/鈦合金試樣粘接性能的影響Tab.2 Effect of curing process on bonding properties of PEEK/ titanium alloy

3 結(jié)論

（1）通過(guò)聚四氟乙烯、聚醚醚酮分別與鈦合金進(jìn)行的摩擦磨損試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，聚四氟乙烯和聚醚醚酮分別適用于低摩擦和低磨損的工況使用要求。

（2）對(duì)比超聲清洗和等離子清洗2種表面處理方法，等離子處理更利于粘接性能的提高。

（3）比較不同固化工藝對(duì)耐磨高分子材料/鈦合金粘接件剪切強(qiáng)度的影響可知，80℃/8 h固化剪切強(qiáng)度最高。

[1]Friedrich K,Schlarb A K.Tribology of polymeric nanocomposites[M].UK:Elsevier Science,2008.

[2]黃麗,楊儒,郭江江,等.微米和納米SiO2改性聚四氟乙烯的摩擦磨損性能[J].復(fù)合材料學(xué)報(bào),2004,21(4):82-86.

[3]Bijwe J,Sen S,Ghosh A.Influence of PTFE content in PEEK-PTFE blends on mechanical properties and tribo-performance in various wear modes[J].Wear,2005,258:1536-1542.

[4]唐娟,程凱,鐘明全,等.等離子清洗多層陶瓷外殼的研究[J].表面技術(shù),2011,40(6):98-100.

Performance of adhesive bonding of wear-resistant polymer to titanium alloy

XIN Cun-liang, HE Shi-an
(The 16th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation, Hefei,Anhui 230043, China)

This paper selected the wear-resistant polymer and titanium alloy as friction pairs，and analyzed the friction test results of PTFE/titanium alloy and PEEK/titanium alloy.According to the different surface treatment methods, the influence of plasma cleaning and curing process on the bonding performance of wear-resistant polymer and titanium alloy was investigated.The results showed that the 80℃/8h curing process made the tensile shear strength of PTFE/titanium alloy reach 2.6 MPa, and the tensile shear strength of PEEK/titanium alloy reach 4.0 MPa.

friction coefficient;PTFE;PEEK;titanium alloy;shear strength

TG494

A

1001-5922（2015）04-0072-03

2014-08-21

辛存良（1988-），男，碩士，主要從事耐磨高分子材料的相關(guān)研究。E-mail：cunliangxin@163.com。