聚醚醚酮及其復合材料摩擦性能研究進展

侯天武 李秉軻 顏華 楊敏 陳聰地

摘 要：聚醚醚酮、聚醚醚酮及其復合材料的力學性能、改性技術和成型工藝。著重評述聚醚醚酮的摩擦學特性及其耐磨機理；對聚醚醚酮及其復合材料的摩擦磨損性能、在滑動過程中形成的摩擦轉移膜以及磨屑的研究；介紹聚醚醚酮基復合材料摩擦學研究的一般方法及規律。介紹了近年來改性聚醚醚酮復合材料的研究進展，詳細介紹了各種共混改性聚醚醚酮復合材料的摩擦磨損性能，并展望了耐磨聚醚醚酮復合材料未來的發展方向。

關鍵詞：聚醚醚酮 復合材料 摩擦性能

中圖分類號：TQ326.5 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）02（b）-0102-03

Abstract： mechanical properties， modification technology and molding process of poly （ether ether ketone）， poly （ether ether ketone） and their composites are reviewed. On the tribological properties of peek on and wear mechanism； research of PEEK and composite materials formed during sliding friction and wear properties and friction transfer film and wear debris； introduces the general method and regulation of PEEK Composites tribological study law. In this paper， the research progress of modified PEEK Composites in recent years is introduced. The friction and wear properties of various blends of PEEK composites are introduced in detail. The future development direction of the composites is also prospected.

Key Words： PEEK； Composites； Friction properties

聚醚醚酮是一種全芳香族半結晶性的熱塑性特種工程塑料，由于大分子鏈上含有剛性的苯環、柔順的醚鍵及提高分子間作用力的羰基，結構規整，綜合性能優異，尤其是耐熱性和摩擦學性能較一般工程塑料好，是一種重要的自潤滑減摩耐磨復合材料的基體[1]。聚醚醚酮具有優異的物理、化學、力學、熱性能，作為高性能復合材料的基體在工程中得到廣泛應用[2-3]。為了改善其摩擦學性能，常添加纖維、固體潤滑劑及硬質填料；或者進行表面處理，以降低摩擦，增加耐磨性[4]。纖維增強的聚醚醚酮復合材料具有優異的耐摩擦、抗蠕變性、抗濕熱老化性和耐沖擊性能[5]。

目前，聚醚醚酮及其復合材料的制備及改性研究是一個熱點，有關成果在工業發達國家已經得到實際應用。與其它聚合物相比，聚醚醚酮及其復合材料可以應用在較高的溫度下。聚醚醚酮及其復合材料與金屬材料相對滑動摩擦時，通常在金屬表面形成薄層聚合物轉移膜，厚度在納米至微米的范圍內。其結構、成分均與原有的聚合物及復合材料不同；其性能、厚度及連續程度等均對摩擦副的摩擦學性能有重大影響。近年來，隨著實驗手段的完善，對聚醚醚酮及其復合材料的納米摩擦學的研究更加深入。在摩擦學領域聚醚醚酮及其復合材料的研究一直是一個熱點。利用納米、微米顆?；蛱祭w維等填充聚醚醚酮，可以得到耐熱、耐磨性能更好的聚醚醚酮復合材料[6-8]。

隨著制造技術的飛速發展，交通運輸工具和動力機械的速度、負荷也越來越高，因此對摩擦材料性能的要求也越來越高，再加上環保方面的需要，傳統的石棉基摩擦材料已被各種性能優異且無環境污染的新型摩擦材料取代[9]。半金屬摩擦材料是由金屬增強纖維、粘接劑和填料混合，利用熱壓成型工藝制作而成，具有熱穩定性好、熱衰退周期長、耐磨性好、壽命長、導熱性好、制動噪聲小等優點，獲得了廣泛的應用，被認為是最優前途的一類摩擦材料[10]。

纖維材料具有價格低廉、與聚醚醚酮結合容易、絕緣性能好、沖擊性能和壓縮性能好等優點，與聚醚醚酮復合后可使其具有更高的熱變形溫度和更小的收縮率，因此纖維/聚醚醚酮復合材料廣泛應用于航空航天、化工醫藥、礦山工業及精密機械等領域[11]。其中，多種纖維、無機填料、有機填料復合聚醚醚酮以提高摩擦材料的摩擦性能是摩擦材料發展的一個比較重要的方向。

1 聚醚醚酮摩擦性能

干摩擦條件下，聚醚醚酮磨損表面出現嚴重的塑性變形和黏著剝落，以黏著磨損和磨粒磨損的混合磨損形式為主；水潤滑條件下，磨損表面光滑，磨損方式主要是以輕微的黏著磨損為主[12]。

張志毅等[13]研究了聚醚醚酮材料在摩擦過程中的摩擦機理及摩擦剝落物進行了比較系統的研究，通過上述研究發現，聚醚醚酮在摩擦磨損特征與負載關系上表現出連續變化性，變化前后聚醚醚酮材料的外形結構、表層結構、分子鏈結構、摩擦過程中產生的剝離物等，均表現出不同的效果。

在較低的負載情況下，材料表面不熔融，摩擦系數伴隨負載的增大同時增大，隨負載的減小而減小。此時，摩擦材料表層受連續作用產生疲勞進而發生脫落，并在脫落過程中發生晶格破壞，使脫落部分結晶度降低。

在高負載區，材料的摩擦表層熔融，熔體的粘滯性大，造成摩擦系數高于低負載情況，加上材料外形變化使摩擦面增大，使材料的摩擦系數增大而出現伴隨上升的情況。

2 聚醚醚酮復合材料摩擦性能

2.1 聚醚醚酮基纖維復合材料

劉愛萍等[14]研制出由不銹鋼纖維、碳纖維混合聚醚醚酮復合材料。通過碳纖維、不銹鋼纖維、樹脂基料的混合順序進行。在真空干燥箱中進行預熱，隨后進行熱壓，最終制得測試樣件。該種復合材料具有摩擦系數穩定，磨損率較低。同時，在低溫下，主要表現為磨粒磨損；在較高溫度下，主要表現為黏著磨損和磨粒磨損共同作用。

李恩重等[12]研究發現，在干摩擦和水潤滑條件下，聚醚醚酮和玻纖/聚醚醚酮的摩擦系數和磨損率均隨載荷的增大而增加。玻纖作為填料顯著提高玻纖/聚醚醚酮復合材料的力學性能，在摩擦過程中玻纖承載了部分載荷，從而改善了復合材料的抗磨性能。在摩擦磨損過程中玻纖逐漸被磨削變細、破碎，并最終從聚合物中剝落。同時，通過對聚醚醚酮和玻纖/聚醚醚酮在水潤滑條件下的摩擦因數和磨損率的對比發下安，相較于干摩擦條件下顯著降低。

馬娜等[15]研究發現，碳纖的加入可以使碳纖/聚醚醚酮復合材料的摩擦學性能得到顯著提高。鈦酸鉀晶須的加入對鈦酸鉀晶須/聚醚醚酮復合材料摩擦學性能具有很好的增強作用，其增強效果在某些情況下甚至超過了碳纖增強材料。由于碳纖和鈦酸鉀晶須之間的協同作用，使碳纖/鈦酸鉀晶須/聚醚醚酮混雜增強復合材料擁有比碳纖/聚醚醚酮或鈦酸鉀晶須/聚醚醚酮復合材料具有更加優異的耐磨性能和良好的穩定性，能適應在較為苛刻的條件下使用。

2.2 聚醚醚酮基無機填料復合材料

根據汪懷遠等[16]研究結果，表面改性后，鈦酸鉀晶須的接觸角均有不同程度的提高，其中氟表面活性劑改性后接觸角最大。相對于未改性鈦酸鉀晶須，改性鈦酸鉀晶須填充聚醚醚酮復合材料的摩擦因數均得到降低，其中以溶膠-凝膠改性的最低。鈦酸鉀晶須和溶膠-凝膠改性后鈦酸鉀晶須的表面能降低，在樹脂中的分散性和相容性得到大幅度提高。聚四氟乙烯的加入同時降低了聚醚醚酮的摩擦系數和磨損率。

2.3 聚醚醚酮基有機填料復合材料

根據楚婷婷等[17]研究結果，在聚醚醚酮中添加聚四氟乙烯可以有效降低復合材料的摩擦系數。當聚四氟乙烯添加量為5%時，共混改性聚醚醚酮制得的復合材料既保留了聚醚醚酮的力學性能、耐磨特性，又可以顯著降低摩擦系數，延長使用壽命，具有最優的綜合性能。與常規軸承水潤滑材料相比，具有耐熱性好、耐水解等優點，是一種性能優異的水潤滑軸承候選材料。

2.4 聚醚醚酮基納米填料復合材料

根據彭旭東等[18]研究的結論，納米三氧化二鋁可以明顯地降低聚四氟乙烯填充聚醚醚酮的摩擦系數和磨損率，當納米三氧化二鋁的含量為5%～7%時，聚醚醚酮復合材料的摩擦學特性最佳。當納米三氧化二鋁的含量較低時，復合材料與對偶面產生的磨損以磨粒磨損和犁削為主；而當納米三氧化二鋁的含量較高時，復合材料的磨損模式主要是粘著磨損。隨著載荷的增加，復合材料的摩擦系數將因納米粒子效應和表面摩擦溫升而呈現逐漸下降的趨勢。

2.5 聚醚醚酮基多相填料復合材料

通過林有希等[19]研究，填充CaCO3晶須和聚四氟乙烯可以明顯提高聚醚醚酮復合材料的摩擦學性能。隨著復合材料中晶須添加量增加，摩擦系數持續降低。在低晶須含量時，聚四氟乙烯減磨作用明顯；在較高晶須含量時，晶須減磨作用比聚四氟乙烯明顯。復合材料的磨損率隨晶須含量的增加呈現先大幅下降后緩慢回升的趨勢。CaCO3晶須增強聚醚醚酮減少了復合材料在摩擦過程中摩擦副表面粘著和剝層的效應，阻止了樹脂的熱塑性變形，同時聚四氟乙烯的加入使得復合材料在對偶件表面形成連續、均勻的轉移膜。

根據龍春光等[20]的研究，Ekonol、石墨、MoS2的加入，能顯著提高聚醚醚酮復合材料的摩擦學性能。當Ekonol含量為35%時，Ekonol/石墨/MoS2/聚醚醚酮復合材料具有最佳摩擦學性能。隨著Ekonol含量的增加，復合材料的磨損原理發生了由粘著磨損、微切削為主向疲勞磨損為主的轉變。

3 結語

聚醚醚酮及其復合材料的摩擦學研究和應用還處在起步階段，對其在不同條件下的摩擦學行為和磨損機理等均需深入研究。通過纖維增強、顆粒填充、高聚物共混等改性方法制備的聚醚醚酮復合材料的摩擦磨損性能得到了明顯改善。多種填料共同改性聚醚醚酮樹脂時，其摩擦性能更加優越。但同時，由于影響聚醚醚酮摩擦性能的因素很多，因此對多種因素共同作用下聚醚醚酮復合材料磨損機理的研究是一項非常重要的課題。伴隨耐磨聚醚醚酮復合材料性能的不斷增加，其應用前景將越來越廣闊。

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