聚醚醚酮復合材料在不同水環境下的摩擦磨損行為

(1.中國航發西安動力控制科技有限公司 陜西西安 710021；2.中國科學院蘭州化學物理研究所 甘肅蘭州 730000)

基于綠色環保、節約能源的考慮或產品本身的服役工況限制，一些機械設備的摩擦部件或系統經常需要引入水作為工作或潤滑介質。然而，水作為潤滑介質，其黏度極低，不足礦物潤滑油的1/50，很難在摩擦副表面形成有效的流體潤滑膜，極易造成摩擦副的高摩擦與磨損，并因而發生卡滯或停車等嚴重事故。因此，針對水環境服役工況需要進行特別的摩擦配副材料優選與設計。相對于金屬、陶瓷、涂層等硬質摩擦配副材料，聚合物及其復合材料更易于在低黏度的水相環境中實現有效的流體潤滑，是比較理想的水潤滑材料。高性能特種工程塑料聚醚醚酮(PEEK)，具有低密度、耐腐蝕、高強度、自潤滑、易加工等綜合優勢，是目前應用最為廣泛的高性能水潤滑材料之一[1-6]。特別是碳纖維增強改性的聚醚醚酮復合材料(CF/PEEK)，其在水環境中具有極高的耐磨性，是目前公認性能最突出的水潤滑材料，廣泛用于制造苛刻水環境下服役的齒輪、軸承、缸套等摩擦部件[3,7-8]。

當聚合物材料在水環境中運行時，水會對其摩擦磨損行為產生重要影響。一方面，水具有一定的潤滑效應以及冷卻效應，有助于改善材料的摩擦與磨損性能；而另一方面，水分子會由聚合物復合材料表面擴散到本體之中，產生塑化作用，造成材料微區膨脹與應力集中，致使材料強度、硬度下降以及填料/基體微觀界面破壞，從而加速材料磨損[9-11]。因此，聚合物材料在水潤滑下的摩擦學性能很大程度上取決于水介質的具體作用機制。

液體水環境是目前聚醚醚酮等聚合物基水潤滑材料的主要服役環境，現有的水潤滑下的摩擦磨損理論也主要基于液體水環境建立。而事實上，水的存在形態較為復雜。在一些機械設備(如：中國航發西安動力控制科技有限公司某型水處理產品)中需要摩擦部件在水蒸氣或水蒸汽環境下服役，前者是水的氣體形態，而后者是霧狀的氣-液二相混合形態。不同形態的水在理化性能上存在較大差異，與聚合物材料的作用機制也顯著不同。NICOLAIS等[12]的研究表明，液相與氣相的水在聚醚醚酮材料中的擴散規律與破壞形式截然不同。因此，聚醚醚酮等聚合物材料在不同形態的水環境下服役時，其摩擦磨損性能可能會存在不同。然而目前關于水潤滑聚合物材料摩擦學行為與水存在形態之間相關性的研究國內外尚不多見，對于實際應用缺乏有效的理論指導。

本文作者構建了專門的試驗平臺以模擬不同水環境工況，在不同的溫度與濕度條件下對比研究了碳纖維增強聚醚醚酮復合材料分別在水蒸氣(氣態)、水蒸汽(即汽態，氣-液二相混合態)與液態(水浸泡)3種水環境下自配副摩擦時的摩擦與磨損性能，系統考察了水的存在形態對材料摩擦學行為的影響規律。

1 試驗部分

1.1 試驗平臺

為了準確模擬試驗要求的氣態水蒸氣與氣-液二相混合的霧狀水蒸汽工況環境，并實現模擬工況環境下的原位摩擦磨損試驗，構建了專門的試驗平臺，具體工作包括：(1)以VTB-B4可程式恒溫恒濕箱為摩擦磨損試驗平臺主體環境模擬結構單元，該設備具有氣態水蒸氣發生器，可實現特定溫度、特定濕度氣態水蒸氣環境的精確模擬(如圖1(a)所示)；(2)將DRST-06AE超聲波加濕器(該設備通過陶瓷片高頻諧振可產生霧狀水蒸汽，液滴直徑1～5 μm)與恒溫恒濕箱環境室進行管路連接，通過2臺設備的聯合運行，可實現特定溫度、98%濕度霧狀水蒸汽環境的精確模擬(如圖1(b)所示)；(3)將MS-T3000小型摩擦磨損試驗儀通過防水與線路改造后置于恒溫恒濕箱環境室內，以完成模擬環境下的原位摩擦磨損試驗(如圖1(c)、(d)所示)。通過以上試驗平臺的搭建，可精確模擬特定溫度與濕度的水蒸氣或水蒸汽環境，并實現模擬環境下的原位摩擦磨損測試。此外，正常大氣環境溫度與濕度下的干摩擦與水浸泡摩擦試驗并不需要環境模擬裝置的輔助，在摩擦磨損試驗機上即可實現。

圖1 環境模擬測試平臺

1.2 試驗材料與方法

試驗材料為碳纖維增強聚醚醚酮復合材料(CF/PEEK)，由中國科學院蘭州化學物理研究所提供，牌號為S-0203，采用精密模壓法制備。復合材料的基本性能參數如表1所示。

摩擦磨損試驗參考標準：ASTM G99-2005。配副方式為自配副，接觸方式為銷-盤(Pin-on-Disc)面接觸，相對運動形式為單向旋轉滑動。銷尺寸為Φ4.8 mm×12.7 mm，盤尺寸為φ54 mm×5 mm，載荷為45 N(接觸應力2.5 MPa)，平均線速度為1.0 m/s，設定運行周期為240 min。水浸泡試驗前在試驗杯內加注適量去離子水，以完全浸沒試驗銷與盤摩擦面為宜。試驗前，打開摩擦磨損試驗儀(水蒸氣與水蒸汽汽環境模擬時還需要同時打開恒溫恒濕箱與超聲波加濕器)，預熱30～60 min；調控恒溫恒濕箱溫度、濕度到指定值；待溫、濕度參數穩定5～10 min后開始進行摩擦磨損測試。

表1 聚醚醚酮復合材料性能參數

設備摩擦因數預警保護值為0.7，一旦因摩擦太過劇烈、摩擦因數太大超過該保護值，摩擦試驗將自動終止。銷與盤試樣的磨損率按如下公式進行計算：

其中：ωsp為磨損率，mm3/(N·m)；Δm為磨損質量損失，mg；ρ為S-0203材料密度，為1.35 mg/mm3；F為載荷，45 N；v為摩擦副對偶面相對滑動線速度，為1.0 m/s；t為運行時間，s。

摩擦因數與磨損率均取3次測試結果的算術平均值。

采用JSM-5600LV型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察聚醚醚酮復合材料的表面形貌。為保證觀察的清晰度，SEM表征前對材料表面進行噴金處理以提高導電性。

2 結果與討論

2.1 聚醚醚酮復合材料微觀形貌

圖2所示為聚醚醚酮復合材料的斷面形貌。可見：碳纖維在聚醚醚酮基體中均勻分散，且與聚醚醚酮基體結合十分緊密，纖維/基體微觀界面沒有明顯的空隙，這說明碳纖維與PEEK基體之間具有十分良好的界面結合。一般來講，當纖維增強的聚合物復合材料處于水環境中時，水分子會通過2種方式進入復合材料內部，一種是通過聚合物自身擴散進入，一種是通過纖維/聚合物界面進入。以往的研究表明，水分子通過擴散進入聚合物自身的速率非常緩慢，而一旦纖維/聚合物界面存在空隙，水分子便會通過毛細效應迅速擴散到復合材料內部，從而造成吸水區域塑化以及纖維/界面破壞，引起材料力學性能衰減以及耐磨性的急劇下降[13-14]。顯然，良好的微觀界面結合是CF/PEEK復合材料在水環境下能夠長期、可靠服役的重要原因之一。

圖2 聚醚醚酮復合材料微觀形貌

2.2 不同工況下聚醚醚酮復合材料的摩擦與磨損

碳纖維增強聚醚醚酮復合材料在不同潤滑工況下的摩擦因數與磨損率測試結果分別如圖3所示。

從圖3(a)可以看出：在水蒸氣(氣態)工況下，摩擦試驗在開始不到2 min就因為摩擦太過劇烈、摩擦因數太大超過設備保護值而被迫終止；運行時間段內平均摩擦因數為0.22～0.43，材料磨損率處于10-3mm3/(N·m)數量級(如表2所示)；隨濕度增加，潤滑性能會得到明顯改善，表現為運行時間延長，磨損率減小。

從圖3(b)可以看出：在水蒸汽(氣-液二相混合態)工況下，摩擦試驗開始不到5 min即因摩擦太過劇烈、摩擦因數太大超過設備保護值而被迫終止；運行試驗時間段內平均摩擦因數為0.24～0.38，材料磨損率處于10-6mm3/(N·m)數量級(如表2所示)；隨溫度升高，潤滑性能會得到明顯改善，表現為運行時間延長、磨損率減小。

圖3 不同工況下聚醚醚酮復合材料材料的摩擦因數變化曲線

環境工況 磨損率ω/(mm3·N-1·m-1) 銷盤合計水蒸氣溫度40 ℃,環境濕度3.4×10-31.5×10-34.9×10-3溫度40 ℃,50%濕度2.2×10-31.5 ×10-33.7 ×10-3溫度40 ℃,98%濕度0.9×10-30.7 ×10-31.6 ×10-3溫度80 ℃,環境濕度9.6×10-36.0 ×10-315.6×10-3溫度80 ℃,50%濕度3.6×10-31.4×10-35.0×10-3溫度80 ℃,98%濕度2.4×10-31.5×10-33.9×10-3水蒸汽溫度20 ℃,98%濕度2.6×10-61.8×10-64.4×10-6溫度40 ℃,98%濕度2.0×10-61.5×10-63.5 ×10-6溫度80 ℃,98%濕度1.4×10-60.8×10-62.2×10-6水浸泡環境溫度,水潤滑1.2×10-90.2×10-91.4×10-9干摩擦環境溫度,環境濕度2.2×10-31.5×10-33.7×10-3

從圖3(c)可以看出：在干摩擦工況下，摩擦試驗開始22 s后即因摩擦太過劇烈、摩擦因數太大超過設備保護值而被迫終止；運行時間段內平均摩擦因數為0.41，材料磨損率處于10-3mm3/(N·m)數量級(如表2所示)。

從圖3(d)可以看出：在液體水浸泡工況下，整個試驗階段內摩擦因數極較低且極為穩定，平均摩擦因數僅為0.07，材料磨損率為各種工況下最小，僅為1.4×10-9mm3/(N·m)(如表2所示)。

2.3 不同工況下聚醚醚酮復合材料的磨損形貌

圖4展示了聚醚醚酮復合材料在不同工況下自配副磨損后的表面形貌。

圖4 不同工況下聚醚醚酮復合材料的掃描電鏡圖

從圖4(a)可以看出：磨損試驗后大量突出的碳纖維在材料磨損表面富集，這些纖維在摩擦磨損過程中將承受復合材料摩擦表面所受到的主要法向與切向應力，有效抑制聚合物基體所受到的摩擦損傷。從圖4(a)、(b)、(d)可以看出：在干摩擦、水蒸氣與水蒸汽工況下材料磨損表面均十分粗糙，磨損表面呈現出嚴重的片層剝落與塑性變形傾向，表現出黏著磨損的特征。聚合物材料的黏著磨損往往歸因于潤滑不足所引發的高摩擦以及大量的摩擦界面生熱，界面溫度的上升將加速聚合物材料的黏著轉移，表現出振蕩的摩擦磨損過程與嚴重的摩擦損失，這與摩擦磨損試驗所反映的結果一致。從圖4(c)可以看出：在水浸泡工況下材料磨損表面較為光滑，沒有片層剝落與塑性變形發生，表現為輕微的磨粒磨損，這也反映了水浸泡工況下材料穩定的低摩擦滑動過程。

3 結論

(1)氣態水蒸氣對于聚醚醚酮復合材料幾乎沒有潤滑能力，在該工況下材料發生嚴重的黏著磨損，其摩擦磨損行為與干摩擦工況下相當。

(2)霧狀水蒸汽的潤滑能力要優于氣態水蒸氣，但是該工況下材料仍然發生嚴重的黏著磨損，并不具備保證聚醚醚酮復合材料摩擦部件長期、可靠運行的能力。

(3)液體水潤滑能夠為聚醚醚酮復合材料提供長效、可靠的潤滑保障，在該工況下聚醚醚酮復合材料為輕微的磨粒磨損，具有極低的摩擦因數與磨損率，具有實現長周期、高可靠服役的最大可能性。