添加聚四氟乙烯微粉后聚醚醚酮復合材料的摩擦學性能

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(上海材料研究所，上海市工程材料應用評價重點實驗室，上海 200437)

0 引 言

聚醚醚酮(PEEK)是一種耐高溫特種工程塑料，具有強度高、韌性高、耐磨損和耐腐蝕性能優異等特點，同時具有優良的加工性能，易于注射、擠出和模壓成型以及切削加工[1-2]，在醫療、食品、汽車制造、化學工業、航空航天、電子電氣等領域得到廣泛應用。但是，聚醚醚酮的摩擦因數較高、導熱性能較差，因此在摩擦時所產生的熱量不能快速散出，導致其變形與失效[3-5]。提高聚醚醚酮耐磨性能的一種方法是在其中添加聚四氟乙烯、碳纖維、二硫化鉬等填料以降低摩擦因數[6-7]。聚四氟乙烯(PTFE)具有良好的自潤滑性能，常作為固體潤滑劑加入到各種高分子樹脂基體中[8-9]，但是添加的大多為通用PTFE粉體，其粒徑較大，不易分散。PTFE微粉的相對分子質量為3×104～2×105，是通用PTFE樹脂粉體的1%，粒徑較小且均勻，更易于分散[10]。但是，目前在制備聚醚醚酮復合材料時大多使用通用PTFE粉體，鮮少使用其微粉。為此，作者采用常溫機械共混+高溫模壓方法制備了添加不同含量PTFE微粉的聚醚醚酮復合材料，研究了復合材料在干摩擦、水潤滑以及油潤滑條件下的摩擦磨損性能，并分析了其摩擦磨損機理。

1 試樣制備與試驗方法

1.1 試樣制備

試驗原料包括聚醚醚酮，牌號為770PF，由吉林省中研高性能工程塑料有限公司生產；碳纖維(CF)，牌號為YHP-CD-I3000，平均單絲直徑為7 μm,長徑比為10∶1，由青島遠輝復合材料有限公司生產；聚四氟乙烯微粉，牌號為DB401A，平均粒徑為12 μm,由上海康瑞斯化工有限公司生產； 通用聚四氟乙烯粉體，牌號為JF-4TN-S，平均粒徑30 μm,由浙江巨圣化學有限公司生產；二硫化鉬(MoS2)，牌號為MF-1，平均粒徑為5 μm,由海華誼集團華原化工有限公司生產。

在高速混料機中將聚醚醚酮、PTFE微粉和碳纖維、二硫化鉬等混料3遍，其中PTFE微粉的質量分數分別為0,5%,10%,15%,20%；待混合均勻后，將物料放入板型和實心圓柱形模具中，在YF32-100型液壓力機上壓制成型，壓制溫度為375 ℃，壓力為14 MPa；保溫保壓1 h,降溫至60 ℃后取出坯料，經過180 ℃×4 h熱處理后隨爐冷卻，經機械加工制得試樣，其中，壓縮性能試樣為圓柱體，尺寸為φ8 mm×20 mm，洛氏硬度試樣為長方體，尺寸為50 mm×50 mm×6 mm。將添加質量分數分別為0,5%,10%,15%,20% PTFE微粉的復合材料分別記為PKF00，PKF05，PKF10，PKF15，PKF20。采用同樣的工藝制備添加通用聚四氟乙烯粉體的聚醚醚酮復合材料，其中通用聚四氟乙烯粉體的質量分數與聚四氟乙烯微粉的相同。

1.2 試驗方法

按照GB/T 1041-2008，在Instron1195型電子拉力試驗機上進行壓縮試驗，壓縮速度為1 mm·min-1。按照GB/T 3398.2-2008，使用XHR-150型塑料洛氏硬度計測復合材料的洛氏硬度，球壓頭直徑為6.35 mm,初始載荷為98 N，總載荷為980 N。按照GB/T 3960-2016，采用Amsler型環塊型摩擦磨損試驗機進行環-塊式滑動摩擦磨損試驗，鋼輪環與復合材料試樣塊組成摩擦副，試樣的尺寸為30 mm×7 mm×6 mm，工作面尺寸為30 mm×7 mm，采用磨床對試樣工作面進行加工，保證試樣表面的平整度與粗糙度，摩擦副鋼輪的材料為42CrMo鋼，硬度為50～55 HRC，表面粗糙度為0.4 μm，尺寸為φ40 mm×φ16 mm×10 mm，試樣和鋼輪均用酒精清洗晾干。滑動摩擦磨損試驗參數為載荷245 N，鋼輪旋轉線速度0.42 m·s-1， 試驗時間2 h，試驗環境溫度約23 ℃，相對濕度約60%。潤滑油采用L-HM46液壓油。摩擦因數的計算公式為

μ=M/(F·R)

(1)

式中：M為摩擦力矩，N·m，由試驗測得；F為載荷，N；R為鋼輪半徑，m；μ為摩擦因數。

摩擦磨損試驗結束后，采用精度0.02 mm游標卡尺測試樣磨痕寬度，將磨痕近似為光滑規整的圓弧面，體積磨損量的計算公式為

(2)

式中：V為試樣的體積磨損量，mm3；B為試樣寬度，mm；b為磨痕寬度，mm。

采用VEGA3XMU 型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察試樣磨損后的表面形貌。

2 試驗結果與討論

2.1 力學性能

由表1可以看出：隨著PTFE微粉質量分數的增加，復合材料的洛氏硬度和壓縮強度逐漸降低，這是由于PTFE微粉的力學性能較差，承載能力較低[5]；當PTFE微粉的質量分數超過10%時，PTFE微粉對復合材料壓縮強度的影響起主導作用，因此復合材料壓縮強度下降的幅度較大。

表1 不同復合材料的力學性能Tab.1 Mechanical properties of different composites

2.2 摩擦磨損性能

2.2.1 摩擦因數

由圖1可知：在干摩擦條件下，隨著PTFE微粉質量分數的增加，復合材料的摩擦因數減小，當PTFE微粉質量分數超過10%時，摩擦因數大幅下降；添加PTFE微粉的復合材料的摩擦因數略小于添加通用PTFE粉體的。這是由于PTFE微粉呈多層片狀結構，且其摩擦因數較低，在摩擦磨損過程中有利于形成均勻穩定的轉移膜[9]，從而改善復合材料的抗黏著性能，因此隨著PTFE微粉含量的增加，復合材料的摩擦因數大幅下降，且低于添加通用PTFE粉體復合材料的。

圖1 在干摩擦條件下添加PTFE微粉和通用PTFE粉體復合材料摩擦因數隨添加量的變化曲線Fig.1 Friction coefficient vs addition amount curves of composites added with PTFE micro-powder and universal PTFE powder under dry friction condition

圖2 在油潤滑和水潤滑條件下添加PTFE微粉復合材料的摩擦因數隨添加量的變化曲線Fig.2 Friction coefficient vs addition amount curves of composites added with PTFE micro-powder under oil and water lubrication conditions

由圖2可知：隨著PTFE微粉質量分數的增加，復合材料在油潤滑和水潤滑條件下的摩擦因數均下降，且其下降趨勢均比干摩擦條件下的緩慢；油潤滑和水潤滑條件下的摩擦因數均低于干摩擦條件下的，油潤滑條件下的摩擦因數比水潤滑條件下的小，且隨PTFE微粉質量分數的增加，油潤滑條件下摩擦因數降低的幅度較水潤滑條件下的大。PTFE微粉的摩擦因數較低，在油潤滑作用下有利于形成均勻穩定的轉移膜和潤滑油膜，并且潤滑油可及時將摩擦面的熱量散出[5]，摩擦面溫度升高的幅度很小，對復合材料力學性能的影響較小，因此復合材料在油潤滑條件下的摩擦因數很低，且降低幅度較大；在水潤滑條件下，水的表面性能較差，不易在摩擦面上形成水潤滑膜，同時水流的沖刷作用破壞了摩擦面上固體潤滑膜的穩定性[5]，因此水潤滑條件下復合材料的摩擦因數雖比干摩擦條件下的低，但略高于油潤滑條件下的。

2.2.2 體積磨損量

由圖3可知:隨著PTFE微粉質量分數的增加，復合材料在干摩擦條件下的體積磨損量先減小后增大，PKF05復合材料的體積磨損量最低；而添加通用PTFE粉體的復合材料在干摩擦條件下的體積磨損量逐漸增大，且略高于添加PTFE微粉復合材料的。當復合材料中未添加PTFE微粉時，摩擦面不易形成穩定的轉移膜，摩擦時所產生的熱量不能及時散出[3-5]，因此體積磨損量較大；當PTFE微粉質量分數為5%時，摩擦面形成穩定的轉移膜，體積磨損量減小；但隨著PTFE微粉質量分數的繼續增加，復合材料的承載能力下降，導致其體積磨損量增大。

圖3 干摩擦條件下添加PTFE微粉和通用PTFE粉體復合材料的體積磨損量隨添加量的變化曲線Fig.3 Volume wear loss vs addition amount curves of composites added with PTFE micro-powder and universal PTFE powder under dry friction condition

圖4 在油潤滑和水潤滑條件下添加PTFE微粉復合材料的體積磨損量隨添加量的變化曲線Fig.4 Volume wear loss vs addition amount curves of composites added with PTFE micro-powder under oil and water lubrication conditions

由圖4可知，隨著PTFE微粉質量分數的增加，復合材料在油潤滑和水潤滑條件下的體積磨損量均低于干摩擦條件下的，油潤滑條件下的體積磨損量呈下降趨勢，水潤滑條件下的體積磨損量比油潤滑條件下的大且呈增大的趨勢。這是由于PTFE微粉的摩擦因數較低，在油潤滑條件下有利于形成均勻穩定的轉移膜和潤滑油膜，摩擦時所產生的熱量能夠快速并及時散出[5]，因此復合材料的體積磨損量降低；在水潤滑條件下，水流沖刷破壞了固體潤滑膜的穩定性[5]，因此其磨損量略高于油潤滑條件下的。

2.3 磨損形貌與摩擦磨損機理

由圖5可知：干摩擦磨損前，復合材料表面存在片狀PTFE微粉；干摩擦磨損后，磨損表面存在片狀PTFE微細磨屑和少量碳纖維，并伴有犁溝和碳纖維富集現象，碳纖維暴露于表面。由此可知，復合材料在干摩擦磨損條件下的磨損機制以磨粒磨損為主，并伴有疲勞磨損。

由圖6可知，在油潤滑條件下，復合材料表面存在較少的片狀PTFE磨屑，少量碳纖維發生富集，碳纖維主要分布于基體中，未暴露于表面。在油潤滑條件下，復合材料表面形成了穩定連續的固體潤滑膜[5]，使得復合材料的摩擦因數和體積磨損量均最小。

圖5 干摩擦磨損前后PKF20復合材料的表面形貌Fig.5 Surface morphology of PKF20 composite before (a) and after (b-c) dry friction and wear：(b) at low magnification and (c) at high magnification

圖6 油潤滑條件下PKF20復合材料摩擦磨損后的表面形貌Fig.6 Surface morphology of PKF20 composite after friction and wear under oil lubrication condition：(a) at low magnification and (b) at high magnification

由圖7可知：在水潤滑條件下，復合材料表面被PTFE微片層覆蓋，PTFE微片層局部存在微裂紋和因碳纖維脫落而形成的不規則圓柱形孔洞。由于水流沖刷作用影響了摩擦面上固體潤滑膜的穩定性，使得潤滑膜處于形成與破裂的交變過程中，因此復合材料在水潤滑條件下的體積磨損量比油潤滑條件下的略大。

3 結 論

(1) 隨著PTFE微粉質量分數的增加，復合材料的洛氏硬度和壓縮強度降低。

圖7 在水潤滑條件下PKF20復合材料摩擦磨損后的表面形貌Fig.7 Surface morphology of PKF20 composite after friction and wear under water lubrication condition：(a) at low magnification and (b) at high magnification

(2) 隨著PTFE微粉質量分數的增加，干摩擦條件下復合材料的摩擦因數減小,當PTFE微粉質量分數超過10%時，摩擦因數大幅下降；復合材料在干摩擦條件下的體積磨損量呈先降后升的趨勢，當PTFE微粉質量分數為5%時，體積磨損量最小。

(3) 隨著PTFE微粉質量分數的增加，復合材料在油潤滑和水潤滑條件下的摩擦因數和體積磨損量均低于干摩擦條件下的，油潤滑條件下的摩擦因數和體積磨損量均比水潤滑條件下的小，油潤滑條件下的體積磨損量呈下降趨勢，水潤滑條件下的呈增大趨勢。

(4) 復合材料在干摩擦條件下的磨損機制以磨粒磨損為主，并伴有疲勞磨損；在油潤滑條件下，復合材料表面存在較少片狀PTFE磨屑，少量碳纖維發生富集；在水潤滑條件下，復合材料表面被PTFE微片層覆蓋，局部存在微裂紋和因碳纖維脫落而形成的不規則圓柱形孔洞。

參考文獻：

[1] 趙純，張玉龍.聚醚醚酮[M].北京:化學工業出版社，2008.

[2] 來育梅，王偉，章剛，等.熱塑性聚酰亞胺/聚醚醚酮機械共混物的研究[J].機械工程材料，2006，30(7)：25-28.

[3] 李學，王喜梅，張吉魯，等.聚四氟乙烯填充聚醚醚酮及其復合材料的研究[J].工程塑料應用，2000，28(4)：1-3.

[4] 李輝，杜華太，孫建軍，等.聚醚醚酮復合材料摩擦磨損性能研究進展[J].工程塑料應用，2013，41(11)：126-129.

[5] 王承鶴.塑料摩擦學——塑料的摩擦、磨損、潤滑理論與實踐[M].北京：機械工業出版社，1994.

[6] SHARMA M, BIJWE J, MADER E, et al. Strengthening of CF/PEEK interface to improve the tribological performance in low amplitude oscillating wear mode [J]. Wear，2013，301(1/2):735-729.

[7] SHARMA M, BIJWE J, MITSCHANG P. Wear performance of PEEK-carbon fabric composites with strengthened fiber-matrix interface[J]. Wear，2011，271(9/10):2261-2268.

[8] 陶克梅，向定漢，付大勇.聚四氟乙烯與超細高嶺土填充聚甲醛復合材料的摩擦學性能[J].機械工程材料，2007，31(8):45-48.

[9] 黃仁和，王力，王旭. 固體潤滑劑及其在樹脂基減摩復合材料中的應用[J].材料科學與工程學報，2005,2(5):625-628.

[10] BERND W J，朱小慧.聚四氟乙烯微粉及其應用[J].有機氟工業，2001(3):11-18.