聚醚醚酮/聚四氟乙烯復合水潤滑軸承材料性能研究

楚婷婷，李媛媛，孫小波，時連衛

(洛陽軸研科技股份有限公司，河南 洛陽 471039)

水潤滑軸承中應用較多的塑料材料包括聚酰胺、聚四氟乙烯、超高分子量聚乙烯、酚醛樹脂等，但普遍存在耐熱性差、易吸水及不耐水解等缺點。聚醚醚酮(PEEK)是一種耐高溫熱塑性高聚物，具有力學強度高、耐熱、易加工、耐磨、自潤滑等特點，尤其是吸水率小，耐水解性能優異，可在300 ℃蒸汽環境中使用。在溫度超過250 ℃的蒸汽或高壓水浸泡條件下，仍然可以持續工作數千小時而不出現明顯的性能下降[1]，故更適合用作水潤滑軸承的基材。

單一PEEK用于水介質工況時，雖然在強度、硬度、耐磨性等方面表現出很好的特性，但其干摩擦因數大，自潤滑性能并不十分理想，因此必須通過共混改性，在滿足材料力學性能和耐磨性的基礎上進一步降低PEEK的摩擦因子。聚四氟乙烯(PTFE)是一種常用的潤滑改性材料，共混改性PEEK制得的復合材料既能保留PEEK的力學性能、耐熱、耐水解及耐磨特性，又能顯著降低其摩擦因數，延長軸承壽命。

下文以PEEK為基材，以PTFE為潤滑共混材料，在材料力學性能滿足水潤滑軸承材料要求的基礎上，重點改進PEEK/PTFE復合材料的減摩自潤滑性，并研究PTFE添加量對PEEK拉伸強度、邵氏硬度、摩擦因數和磨損量的影響，確定PTFE的最佳添加量。

1 試驗

1.1 復合材料的制備

PEEK模塑粉密度1.32 g/cm3，100目；PTFE模塑粉密度2.17 g/cm3。

將PEEK置于150 ℃烘箱中干燥3 h后取出，冷卻密封備用。將適量PEEK和PTFE粉置于高速攪拌機中混合均勻，然后置于20倍顯微鏡下進行觀察，若無明顯色差即為合格。采用熱模壓成型工藝制備PEEK/PTFE復合材料，其制作流程為：過篩→干燥→混料→裝料→熱壓→脫膜。

1.2 性能測試

(1)采用200F3型差示掃描量熱儀分析復合材料的相容性，吹掃氣和保護氣均為高純氮氣，流量分別為20 和70 mL/min，升溫速度為10 ℃/min。

(2)采用DNS-200型電子萬能試驗機測試PEEK/PTFE復合材料的環狀拉伸強度，拉伸速度為5 mm/min。

(3)采用V-SD型邵氏硬度計測定材料硬度。

(4)用CFT-1型表面性能測量儀測定PEEK/PTFE復合材料的摩擦磨損性能，測試條件：往復干摩擦，直徑3 mm對磨鋼球，頻率20 Hz，時間60 min。

2 結果與分析

2.1 相容性

混合物中晶區的相容性可以用DSC(差示掃描量熱儀記錄到的曲線稱DSC曲線)考察。高聚物DSC曲線所表現的熔點Tm及熔融峰是高聚物有序結構的直接反應，熔點Tm依高聚物本身的性質而異，若混合物中晶區不相容，則不同組分相應地出現各自的熔融峰[2-4]。PEEK/PTFE復合材料的DSC曲線如圖1所示。從圖中可以看出，隨著PTFE的添加，PEEK的峰寬、峰高及熔點無明顯變化(在DSC曲線中，若2種物質混合后熔融峰相互靠近，或變成一個新的熔融峰，說明相容性好)。與純PEEK相比，復合材料逐漸出現2個熔融峰，且熔融峰位置分別與純PEEK、純PTFE的熔融峰接近，未發現新的熔融峰，這說明在PEEK/PTFE共混體系中，2組分呈現各自的熔點，分別結晶，相容性不是很好。

圖1 PEEK/PTFE復合材料的DSC曲線

共混時相容性是決定復合材料力學性能的重要因素。若基體材料與填充相之間相容性良好，則兩者之間無明顯界面，粘結牢固；反之則兩相間界面明顯，結合較差，受力時基體材料與填充相在界面處容易發生滑移和脫開。因此為確保材料具有較高的力學性能，PTFE的添加量不宜過大，后續試驗中PTFE的最大添加量為20%。

2.2 拉伸強度

PTFE添加量對PEEK/PTFE復合材料拉伸強度的影響見表1。由表可知，隨著PTFE添加量的增大，復合材料的拉伸強度有所減小。對于復合材料，拉伸強度與材料內部結構密切相關，DSC結果表明PEEK與PTFE之間相容性不是很好，會導致材料的拉伸強度降低。模壓燒結后，PTFE與PEEK之間并沒有形成化學鍵，也無其他作用力將其連接在一起，導致所形成復合材料的內部存在缺陷，容易引起應力集中，從而降低了材料的拉伸強度[5]。但當PTFE添加量不超過10%時，復合材料仍具有較高的拉伸強度，完全滿足水潤滑軸承對材料拉伸強度的影響[6]。

表1 PTFE添加量對復合材料拉伸強度的影響

2.3 硬度

添加PTFE后PEEK/PTFE復合材料的硬度變化規律見表2。由表可知，由于PTFE硬度較小，自身承載能力較差，隨著PTFE添加量的增大，復合材料的邵氏硬度逐漸減小，但其硬度仍超過美國國防部頒布的MIL-B-17901B(船舶)軍用標準[6]，滿足水潤滑軸承材料的硬度要求。

表2 PTFE添加量對復合材料邵氏硬度的影響

2.4 摩擦學性能

由表3可知，隨著PTFE含量的增加，PEEK/PTFE復合材料的磨損量變化不大。當PTFE添加量為5%時，復合材料的磨損量為0.072 mm3，具有較好的耐磨性。

表3 PTFE添加量對復合材料摩擦性能的影響

同時，隨著PTFE添加量的增大，復合材料的摩擦因數變小。加入5%的PTFE后，復合材料摩擦因數較純PEEK下降了55.6%,減摩效果顯著。隨著PTFE添加量的繼續增大，復合材料摩擦因數的下降趨勢變緩。這是由于PTFE具有螺旋形結構，材料本身具有非常小的摩擦因數。同時，由于PEEK硬度較大，表面的凸起會形成與對磨鋼球的刮擦與犁削作用，而加入PTFE后，隨著摩擦的進行，PTFE在材料接觸表面形成一層轉移膜，可以減小犁削作用[7]。因此，當PTFE添加量為5%時既能最大程度地保留原材料優異的力學性能，又能顯著提高材料的減摩能力。

2.5 討論

對于水潤滑軸承而言，潤滑液膜的承載能力與潤滑劑黏度成正比，與膜厚的平方成反比；由于水是一種低黏度液體，水潤滑軸承承載能力比較低，有可能在非流體潤滑工況下工作，發生無水潤滑和干摩擦。因此，水潤滑軸承材料的自潤滑摩擦學性能是決定其工作性能和使用壽命的一個重要因素。

由試驗結果可知，加入PTFE后，PEEK/PTFE復合材料的摩擦因數顯著降低，自潤滑性能得到極大改善，且當PTFE添加量不太大時，復合材料的力學性能及耐磨性依然保持較高的水平。尤其是當PTFE添加量為5%時，復合材料自潤滑性能改善明顯，材料摩擦因數與純PEEK相比下降了55.6%，而拉伸強度、邵氏硬度、耐磨性等指標仍處于較高水平。

當繼續增大PTFE添加量時，摩擦因數改變不明顯，但材料力學性能及耐磨性有一定程度的降低。綜合考慮，在PEEK中添加5% PTFE制得的PEEK/PTFE復合材料摩擦因數較小，利于延長壽命；同時又具有較高的力學強度，其綜合性能可達到或超過美國國防部頒布的MIL-B-17901B(船舶)軍用標準，可廣泛應用于長壽命水潤滑軸承。

3 結論

(1)在PEEK中添加PTFE可以有效降低復合材料的摩擦因數，延長軸承使用壽命。

(2)當PTFE添加量為5%時，共混改性PEEK制得的復合材料既保留了PEEK的力學性能、耐磨特性，又能顯著降低其摩擦因數，延長使用壽命，具有最優的綜合性能；且與常規軸承水潤滑材料相比，具有耐熱性好、不易吸水、耐水解等優點，是一種性能優異的水潤滑軸承候選材料。

(3)PEEK與PTFE的相容性不是很好，故PTFE添加量不宜過大。