碳纖維/聚醚醚酮(CF/PEEK)復(fù)合材料摩擦磨損性能及抗摩擦靜電特性研究

逄顯娟 岳世偉 黃素玲 謝金夢(mèng) 王 帥 宋晨飛岳 赟 劉 建 李 棟

1.河南科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，洛陽，471023 2.河南科技大學(xué)高端軸承摩擦學(xué)技術(shù)與應(yīng)用國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，洛陽，471023 3.河南科技大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，洛陽，471023

0 引言

進(jìn)入21世紀(jì)以來，我國(guó)的飛機(jī)、高鐵和航海事業(yè)快速發(fā)展[1-3]。但是，其中一些高精密零部件主要依靠進(jìn)口，制約著飛機(jī)、高鐵和航海領(lǐng)域的突破性進(jìn)展[4-5]。目前，用作零部件的材料主要有金屬材料、陶瓷材料和高分子材料三大類，各有優(yōu)缺點(diǎn)和應(yīng)用范圍，零部件的質(zhì)量直接關(guān)系到設(shè)備的使用壽命，影響到機(jī)器的安全運(yùn)轉(zhuǎn)[6]。隨著各領(lǐng)域?qū)Σ牧闲阅艿男枨螅藗儗?duì)材料的應(yīng)用有了更全面的認(rèn)識(shí)，對(duì)材料的性能有了更高的要求。

摩擦磨損是機(jī)器零部件性能的重要參數(shù)指標(biāo)之一。據(jù)統(tǒng)計(jì)，摩擦磨損消耗掉全世界能源的1/3且致使60%的機(jī)器零件失效，所以尋找一類質(zhì)輕高強(qiáng)、抗磨、耐腐蝕和耐疲勞的多功能材料迫在眉睫[7-9]。目前關(guān)于金屬材料摩擦磨損性能的研究較多，很多摩擦磨損理論以金屬材料為研究對(duì)象，對(duì)高分子材料的摩擦性能研究還不夠全面。樹脂材料質(zhì)量小、性能優(yōu)異，在許多方面(如軸承保持架、密封和潤(rùn)滑材料等)可以代替金屬材料和無機(jī)非金屬材料來使用，不僅能節(jié)約成本，而且可以降低能源的消耗，因而受到眾多研究者的關(guān)注[6,10-11]。但是，大部分高分子材料都具有黏彈性，其性質(zhì)容易被外界環(huán)境所影響，在摩擦過程中，高分子材料表面發(fā)生較復(fù)雜的物理化學(xué)變化，這些因素限制了對(duì)高分子材料摩擦現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)，也阻礙了高分子材料摩擦學(xué)理論的發(fā)展[12-14]。

聚醚醚酮(polyether-ether-ketone, PEEK)是一種熱塑性樹脂，作為一種特種高分子材料，PEEK密度小，具有優(yōu)異的耐熱性能、耐摩擦性能、耐腐蝕性能和良好的電絕緣性能、機(jī)械性能，這使得PEEK成為一種極具吸引力的復(fù)合材料的基體材料[15-17]。但是，PEEK基體由于磨損率高和摩擦靜電電荷聚集而限制了其在摩擦領(lǐng)域和導(dǎo)電材料領(lǐng)域的應(yīng)用[18-19]。為了改善PEEK的抗靜電性能和磨損性能，需要在PEEK基體中添加導(dǎo)電填料和增強(qiáng)相來獲得PEEK基復(fù)合材料。目前，常用的增強(qiáng)相有玻璃纖維[20]、碳纖維[21]及SiO2[11]等納米粒子，常用的導(dǎo)電填料包括石墨[22]、碳納米管(CNTs)[23]、碳纖維(carbon fiber, CF)[24]和金屬粉末[25]等。其中，CF的密度小，比模量和比強(qiáng)度高，具有耐摩擦、導(dǎo)電、導(dǎo)熱、耐高溫及耐腐蝕等優(yōu)良特性，CF增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料力學(xué)性能好、抗靜電性能良好和摩擦性能優(yōu)異等特點(diǎn)，在航空航天、汽車、軌道交通、醫(yī)療器械等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[12,26]。

綜上，關(guān)于PEEK及其復(fù)合材料的研究較少，尤其是對(duì)PEEK復(fù)合材料的抗摩擦靜電研究未見報(bào)道。本文以PEEK為基體材料，CF為改性劑，通過一種低成本方法制備了不同含量CF摻雜的CF/PEEK復(fù)合材料，系統(tǒng)地分析了材料的結(jié)構(gòu)和熱學(xué)性能，并且對(duì)CF/PEEK復(fù)合材料的摩擦磨損性能和抗摩擦靜電性能進(jìn)行研究，得到磨損機(jī)理和抗摩擦靜電機(jī)理。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

本文試驗(yàn)所用的基體原料為PEEK -450G粉末，平均粒徑值約為12 μm，由東莞市川澳工程塑膠原料有限公司提供，室溫下的基本物理性能參數(shù)見表1。本試驗(yàn)所用的增強(qiáng)材料為高模量碳纖維粉末，平均粒徑大約為900目，由碳稀技術(shù)(深圳)有限公司提供，室溫下的基本物理性能參數(shù)見表2。

表1 PEEK基本物性參數(shù)

表2 CF基本物性參數(shù)

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1材料制備方法

本文的聚醚醚酮基復(fù)合材料通過真空熱壓燒結(jié)爐采用快速熱壓燒結(jié)方法制備，主要流程分為以下五步：干燥、稱量、球磨共混、冷壓成形和熱壓燒結(jié)。制備工藝流程如圖1所示。

圖1 PEEK基復(fù)合材料制備工藝流程圖

具體實(shí)施方案如下：按照質(zhì)量百分比，分別稱取95%的PEEK粉末和5%的CF粉末、90%的PEEK粉末和10%的CF粉末、85%的PEEK粉末和15%的CF粉末、80%的PEEK粉末和20%的CF粉末、75%的PEEK粉末和25%的CF粉末、70%的PEEK粉末和30%的CF粉末、65%的PEEK粉末和35%的CF粉末、60%的PEEK粉末和40%的CF粉末；然后將粉末置于高能球磨機(jī)中，球料比為2∶1，在260 r/min轉(zhuǎn)速條件下混合6 h得到混合粉末。隨后將稱取的11.7 g混合粉末裝入石墨模具中，置于真空快速熱壓燒結(jié)爐中燒結(jié)。燒結(jié)參數(shù)如下：真空度約10-1Pa；升溫速率分兩段進(jìn)行，升溫到350 ℃；壓力13 MPa，保溫時(shí)間10 min，燒結(jié)工藝曲線如圖2所示。燒結(jié)結(jié)束后，復(fù)合材料隨爐冷卻至室溫得到聚醚醚酮基固體潤(rùn)滑復(fù)合材料。

圖2 燒結(jié)工藝曲線

1.2.2摩擦磨損試驗(yàn)方法

摩擦試驗(yàn)采用UMT-2型多功能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)(圖3)，以球-盤旋轉(zhuǎn)滑動(dòng)接觸形式對(duì)PEEK和CF/PEEK復(fù)合材料的摩擦磨損性能及抗摩擦靜電性能進(jìn)行研究。摩擦副的上試樣為GCr15不銹鋼球，直徑為6.35 mm，粗糙度Ra=0.02 μm，硬度為62 HRC；下試樣為快速熱壓燒結(jié)所制備的純PEEK材料和CF/PEEK復(fù)合材料，試樣尺寸直徑為40 mm，厚度為7 mm，試樣表面通過80號(hào)、240號(hào)、400號(hào)、800號(hào)、1200號(hào)、1500號(hào)、2000號(hào)、3000號(hào)金相砂紙打磨處理，在MP-2B型金相磨拋機(jī)上進(jìn)行逐一拋光，為保證材料表面清潔，最后放在無水乙醇中使用030S型超聲波清洗儀清洗、晾干，使得試樣表面粗糙度Ra值控制在0.10～0.15 μm。摩擦條件如下：載荷50 N，旋轉(zhuǎn)速度300 r/min，旋轉(zhuǎn)半徑4 mm，摩擦?xí)r間30min。

圖3 多功能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)

摩擦試驗(yàn)的瞬時(shí)摩擦因數(shù)由控制計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)采集。磨損率采用三維形貌輪廓儀對(duì)磨痕進(jìn)行測(cè)量，導(dǎo)出磨痕寬度和深度二維曲線數(shù)值，通過Origin畫圖積分計(jì)算磨痕的橫截面積，為保證測(cè)試結(jié)果的精準(zhǔn)度，在同一條磨痕上選取多個(gè)截面，對(duì)其平均值進(jìn)行磨損體積計(jì)算。計(jì)算方法如下：

式中，ω為磨損率，mm3/(N·m)；ΔV=lA為磨損體積，l為劃痕長(zhǎng)度，A為劃痕截面積；F為施加的載荷；v為旋轉(zhuǎn)滑動(dòng)速度；t為滑動(dòng)時(shí)間。

摩擦分離時(shí)，使用非接觸式FMX-003型靜電測(cè)試儀檢測(cè)分離后PEEK基復(fù)合材料表面的摩擦靜電，通過內(nèi)置微控處理器在表盤上顯示靜電電壓。為了保證試驗(yàn)的準(zhǔn)確性和可靠度，每次檢測(cè)使FMX-003型靜電測(cè)試儀放置在固定的位置，相同試驗(yàn)條件重復(fù)三次，取其平均值作為摩擦靜電電壓的最終結(jié)果，測(cè)試靜電電壓值越小，表明材料的抗靜電性能越好。

1.3 微觀形貌和性能測(cè)試

將實(shí)驗(yàn)樣品表面噴金處理，采用Flex SEM 1000型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察PEEK和PEEK復(fù)合材料磨損前后表面的形貌及狀態(tài)，用于分析摩擦磨損機(jī)制。借助D8 X射線衍射儀對(duì)PEEK和CF/PEEK復(fù)合材料的特征峰衍射角進(jìn)行表征，檢測(cè)條件如下：掃描步長(zhǎng)為0.02°，掃描速率為5°/min，掃描范圍為10°～50°。利用IRTracer-100型傅里葉紅外光譜儀分別對(duì)兩種材料的特殊官能團(tuán)進(jìn)行分析，測(cè)試范圍為500～4000 cm-1。使用DR-Ⅲ熱導(dǎo)率測(cè)試儀對(duì)制備的不同復(fù)合材料的熱導(dǎo)率進(jìn)行檢測(cè)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析討論

2.1 結(jié)構(gòu)分析

2.1.1XRD物相分析

圖4所示為不同CF含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))CF/PEEK復(fù)合材料的XRD圖譜，可以明顯看出，不同CF含量CF/PEEK都有4個(gè)比較強(qiáng)的衍射峰，并且出現(xiàn)在相同的位置。4個(gè)結(jié)晶特征衍射峰對(duì)應(yīng)的衍射角2θ分別為18.71°、20.76°、22.81°和22.83°，所對(duì)應(yīng)的晶面分別為(110)、(111)、(200)、(211)，其衍射峰與文獻(xiàn)[27]衍射峰的位置和形狀基本一致。可見，加工成形工藝沒有改變PEEK和CF/PEEK的結(jié)晶狀態(tài)，另外，即使燒結(jié)溫度達(dá)到350 ℃，PEEK也沒有發(fā)生分解和裂解反應(yīng)，并且CF沒有發(fā)生氧化反應(yīng)。

圖4 PEEK和CF/PEEK復(fù)合材料的XRD圖譜

2.1.2紅外光譜分析

不同CF含量的CF/PEEK紅外光譜圖見圖5，可以看出，不同CF含量的復(fù)合材料特征峰的位置和形狀大致相同，說明燒結(jié)過程并沒有改變PEEK結(jié)構(gòu)中的官能團(tuán)。因?yàn)镃F沒有官能團(tuán)鍵的振動(dòng)，所以不同CF含量的CF/PEEK復(fù)合材料的紅外光譜圖中主要呈現(xiàn)出PEEK的官能團(tuán)鍵的振動(dòng)。其中，840 cm-1、764 cm-1是苯環(huán)的C-H平面彎曲振動(dòng)吸收譜帶，且840 cm-1是芳環(huán)對(duì)位取代的特征峰，929 cm-1是R-CO-R的對(duì)稱伸縮振動(dòng)譜帶，1163 cm-1是芳醚或者芳酮結(jié)構(gòu)中苯環(huán)的C-H平面內(nèi)彎曲振動(dòng)吸收譜帶，1226 cm-1是R-O-R的不對(duì)稱伸縮振動(dòng)譜帶，1308 cm-1是R-CO-R苯環(huán)平面內(nèi)振動(dòng)譜帶，1597 cm-1和1501 cm-1是R-O-R苯環(huán)平面內(nèi)振動(dòng)譜帶，1652 cm-1是C=O伸縮振動(dòng)譜帶。

圖5 PEEK和CF/PEEK的傅里葉紅外光譜圖

2.2 熱學(xué)分析

2.2.1熱導(dǎo)率和熱阻

為了分析PEEK及CF/PEEK復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能，對(duì)不同CF含量CF/PEEK復(fù)合材料的熱導(dǎo)率和熱阻進(jìn)行了表征。圖6為不同CF含量CF/PEEK復(fù)合材料的熱導(dǎo)率和熱阻趨勢(shì)圖，可以明顯看出，隨著CF含量的增加，CF/PEEK復(fù)合材料的熱導(dǎo)率呈現(xiàn)線性遞增趨勢(shì)，相應(yīng)的熱阻表現(xiàn)出線性遞減趨勢(shì)，當(dāng)添加CF含量為20%時(shí)，CF/PEEK復(fù)合材料比純PEEK的熱導(dǎo)率提高1.5倍。由于PEEK屬于高分子塑料，擁有高分子材料絕緣隔熱的特性，故純PEEK材料導(dǎo)熱性能較差，然而CF是高導(dǎo)熱材料，其熱導(dǎo)率為9～11 W/(m·K)，將CF添加到PEEK中，有利于改善PEEK材料的導(dǎo)熱性能。

圖6 PEEK和CF/PEEK復(fù)合材料的熱導(dǎo)率及熱阻

2.2.2熱重分析

圖7是不同CF含量CF/PEEK復(fù)合材料的TG圖譜，可以看出，CF/PEEK復(fù)合材料比純PEEK的分解溫度有略微下降，隨著CF含量的增加，CF/PEEK復(fù)合材料的失重率有明顯的降低，當(dāng)CF含量增加到20%時(shí)，CF/PEEK復(fù)合材料的失重率比純PEEK材料的失重率下降了27%左右，說明CF的加入對(duì)PEEK材料的熱穩(wěn)定性有良好改善作用。因?yàn)镃F雖然經(jīng)過高溫降解為碳化物，但與樹脂基體的結(jié)合性依舊存在，CF含量越高，對(duì)樹脂基體的分子鏈運(yùn)動(dòng)阻礙性越強(qiáng)，分子鏈運(yùn)動(dòng)所需的能量也就越高；CF的含量越高，復(fù)合材料的殘?zhí)悸试礁撸瑹岱€(wěn)定性就越好[28]。

圖7 PEEK和CF/PEEK復(fù)合材料的TG圖譜

2.3 CF含量對(duì)PEEK材料摩擦磨損和摩擦靜電的影響

2.3.1對(duì)摩擦因數(shù)的影響

為了探究CF/PEEK復(fù)合材料摩擦性能最佳的CF添加含量(質(zhì)量百分比)，對(duì)添加不同CF含量的CF/PEEK復(fù)合材料進(jìn)行相同條件的旋轉(zhuǎn)干滑動(dòng)摩擦，設(shè)定載荷為50 N，轉(zhuǎn)速為300 r/min，旋轉(zhuǎn)半徑為4 mm。圖8a、圖8b為添加不同CF含量的CF/PEEK復(fù)合材料的瞬時(shí)摩擦因數(shù)和平均摩擦因數(shù)曲線。可以看出，所有CF含量的CF/PEEK復(fù)合材料隨著時(shí)間的推移，瞬時(shí)摩擦因數(shù)均分為兩個(gè)階段，第一階段為逐漸增加的跑合階段，第二階段為穩(wěn)定階段。添加CF之后CF/PEEK復(fù)合材料的瞬時(shí)摩擦因數(shù)明顯低于純PEEK的瞬時(shí)摩擦因數(shù)，并且在整個(gè)摩擦過程中，摩擦因數(shù)曲線都比純PEEK的曲線更平穩(wěn)。雖然CF含量為30%和40%的CF/PEEK復(fù)合材料摩擦因數(shù)低于純PEEK摩擦因數(shù)，但是在達(dá)到穩(wěn)定階段后，摩擦因數(shù)出現(xiàn)了較大的波動(dòng)。由圖8c可以看出，隨著CF含量的增加，平均摩擦因數(shù)先大幅降低然后趨于平穩(wěn)，穩(wěn)定在0.25左右。分析后認(rèn)為：由前文熱導(dǎo)率的數(shù)值可知，CF的加入提高了PEEK材料的熱導(dǎo)率，使CF/PEEK復(fù)合材料摩擦表面產(chǎn)生的熱量擴(kuò)散比PEEK材料迅速，摩擦表面溫度降低[29]。

(a)0～20%CF/PEEK瞬時(shí)摩擦因數(shù)

與金屬等高熔點(diǎn)的材料相比，CF/PEEK復(fù)合材料的熔點(diǎn)、熱導(dǎo)率和玻璃化轉(zhuǎn)變溫度相對(duì)較低，使得CF/PEEK復(fù)合材料在摩擦過程中對(duì)溫度效應(yīng)比較敏感。隨著摩擦溫度的升高，CF/PEEK復(fù)合材料出現(xiàn)玻璃態(tài)、黏彈態(tài)和黏流態(tài)三種狀態(tài)[30]。摩擦初期，CF/PEEK復(fù)合材料表面從玻璃態(tài)向黏彈態(tài)轉(zhuǎn)變，摩擦溫度快速升高，摩擦表面發(fā)生嚴(yán)重的黏著變形，此階段摩擦因數(shù)也隨之迅速升高；然后CF/PEEK復(fù)合材料表面狀態(tài)從黏彈態(tài)向黏流態(tài)轉(zhuǎn)變，摩擦溫度的增加變得緩慢，摩擦因數(shù)的升高也趨于平穩(wěn)；當(dāng)摩擦表面處于黏流態(tài)時(shí)，摩擦表面的溫度基本穩(wěn)定，所以這一階段的摩擦因數(shù)也基本保持不變[31]。

2.3.2磨損率

圖9為添加不同CF含量的CF/PEEK復(fù)合材料磨損表面三維形貌圖和截面輪廓曲線。可以看出，隨著添加CF含量的增加，摩擦劃痕深度先逐漸變淺后大幅度加深；同時(shí)劃痕寬度先逐漸變窄，隨后又逐漸加寬，添加CF含量為20%時(shí)，劃痕深度最淺和劃痕寬度最窄，分別為3 μm和450 μm，對(duì)應(yīng)了磨損表面三維形貌圖。說明添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%CF對(duì)PEEK基體材料的磨損性能具有明顯的改善。為了更直觀地描述不同CF含量CF/PEEK復(fù)合材料的磨損性能，通過對(duì)磨損表面進(jìn)行積分計(jì)算獲得磨損率。添加不同CF含量的CF/PEEK復(fù)合材料的磨損率如圖10所示，可以看出，隨著CF添加量的增加，CF/PEEK復(fù)合材料的磨損率先逐漸降低，然后急劇增加，CF添加量為20%時(shí)，CF/PEEK復(fù)合材料的磨損率達(dá)到最低，為5.6×10-6mm3/(N·m)，比純PEEK的磨損率降低了兩個(gè)數(shù)量級(jí)。CF加入PEEK基體材料后出現(xiàn)這種結(jié)果的原因有三方面：當(dāng)CF/PEEK復(fù)合材料受到外界壓力時(shí)，一方面CF在復(fù)合材料中起到支撐的作用，減小了摩擦配副與PEEK基體材料的相互作用，進(jìn)而降低了CF/PEEK復(fù)合材料的磨損率[32]；另一方面CF具有片狀多晶石墨結(jié)構(gòu)，本身具備減磨潤(rùn)滑性能，在摩擦試驗(yàn)過程中，CF磨屑充當(dāng)潤(rùn)滑劑的作用，并且CF具有良好的導(dǎo)熱性能，將因摩擦產(chǎn)生的摩擦熱及時(shí)導(dǎo)出材料，減少了PEEK基體材料的黏著，進(jìn)一步降低了CF/PEEK復(fù)合材料的磨損率[33]；此外，復(fù)合材料的磨損率還受到CF在PEEK基體材料中分散狀態(tài)的影響，當(dāng)添加CF含量低于20%時(shí)，CF粉末完全分散在PEEK基體中，被PEEK基體緊密地包裹著，起到了一定的減摩抗磨的作用，當(dāng)添加CF含量過高時(shí)，CF粉末在PEEK基體中發(fā)生團(tuán)聚現(xiàn)象，分散不均勻，在摩擦磨損試驗(yàn)過程中團(tuán)聚的CF在摩擦力的作用下被剝離出來，從PEEK基體材料脫落，同時(shí)引起磨粒磨損，加劇了磨損過程，此時(shí)復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能的有利影響低于其團(tuán)聚而引起的不利影響，因此，當(dāng)添加CF含量超過20%時(shí)， CF/PEEK復(fù)合材料的磨損率快速增加。

(a)0%CF含量PEEK (b)5%CF含量CF/PEEK (b)10%CF含量CF/PEEK (d)15%CF含量CF/PEEK (e)20%CF含量CF/PEEK

圖10 不同CF含量的CF/PEEK磨損率

2.3.3磨損機(jī)制

圖11是不同CF含量的CF/PEEK復(fù)合材料磨損表面形貌圖，A～I(xiàn)分別代表CF含量為0%、5%、10%、15%、20%、25%、30%、35%、40%，其中黃色單箭頭為劃痕方向，右上角紅色方框內(nèi)是劃痕局部位置放大圖。由SEM圖可以明顯看出，隨著添加CF含量的增加，CF/PEEK復(fù)合材料磨損狀況先逐漸減輕，然后摩擦表面出現(xiàn)嚴(yán)重磨損。圖11a表面出現(xiàn)塑性變形，有大量的剝落坑和輕微劃痕，說明純PEEK材料主要以黏著磨損為主，并伴隨輕微的磨粒磨損。圖11b～圖11f表面剝落坑逐漸減少，當(dāng)CF含量為20%時(shí)，剝落坑基本完全消失，只剩下一些輕微的劃痕，說明20%含量的CF在PEEK基體材料中均勻分散，沒有發(fā)生團(tuán)聚，起到了良好承載應(yīng)力的作用，因此，在此CF含量范圍內(nèi)，CF/PEEK復(fù)合材料的磨損機(jī)理為輕微的黏著磨損和磨粒磨損[14,34]。圖11g～圖11i表面發(fā)生嚴(yán)重的塑性變形，并且出現(xiàn)大量的黏著剝落坑和少量的犁溝劃痕，CF含量越高，這種現(xiàn)象越明顯，故在此CF含量范圍內(nèi)，CF/PEEK復(fù)合材料的磨損機(jī)理為嚴(yán)重的黏著磨損和磨粒磨損。

(a)0%CF含量 (b)5%CF含量 (c)10%CF含量

2.3.4抗摩擦靜電性能

CF作為良好的導(dǎo)電填料，其添加含量直接影響到連續(xù)導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的形成，間接決定了CF/PEEK復(fù)合材料的導(dǎo)電性能。當(dāng)CF在PEEK基體材料中含量較低時(shí)，纖維與纖維之間不能夠搭建起連續(xù)的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，盡管有一定的抗靜電性，但不能完全消除掉靜電。只有當(dāng)CF在PEEK基體材料中達(dá)到某一臨界濃度(逾滲閾值)時(shí)[35]，纖維之間才能搭建起均勻連續(xù)的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)而起到抗靜電的作用。為了監(jiān)測(cè)CF在PEEK基體材料中的臨界濃度，通過對(duì)不同CF含量的CF/PEEK復(fù)合材料摩擦表面靜電電壓進(jìn)行測(cè)量，不同CF含量的CF/PEEK復(fù)合材料摩擦表面靜電電壓測(cè)試結(jié)果如圖12所示。可以明顯看出，隨著CF含量的增加，CF/PEEK復(fù)合材料摩擦表面靜電電壓并不是呈線性下降，而是先逐漸降低，隨后急劇下降，最后略微升高趨于平穩(wěn)，這種結(jié)果被稱為滲濾現(xiàn)象[35]。CF添加含量較低時(shí)，雖然CF在PEEK基體材料中分散均勻，但是CF之間的間距較大，被PEEK基體材料包裹著的CF不能形成連續(xù)的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，因此，CF/PEEK復(fù)合材料摩擦表面靜電電壓的降低比較緩慢。當(dāng)增加CF含量至20%時(shí)，CF/PEEK復(fù)合材料摩擦表面靜電電壓急劇下降，檢測(cè)到的摩擦靜電電壓幾乎全部消失。這說明20%是CF添加到PEEK基體材料中的逾滲閾值，此時(shí)，CF不但在PEEK基體中均勻分散，而且相鄰的CF在PEEK基體中形成了三維空間均勻連通的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，另外，在摩擦過程中連續(xù)CF把摩擦熱迅速消散，避免摩擦電荷在CF/PEEK復(fù)合材料表面累積，從而降低了復(fù)合材料的摩擦靜電電壓。超過逾滲閾值，繼續(xù)增加CF含量，CF/PEEK復(fù)合材料摩擦表面靜電電壓略微升高，趨于平穩(wěn)，導(dǎo)致這種結(jié)果的原因如下：CF含量過高時(shí)，在PEEK基體材料中發(fā)生團(tuán)聚，當(dāng)受到外力摩擦過程中，CF被剝離出來，形成的三維空間均勻連續(xù)導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)被破壞，磨屑在CF/PEEK復(fù)合材料表面堆積，因摩擦產(chǎn)生的靜電電荷不能及時(shí)導(dǎo)出，所以摩擦表面靜電電壓會(huì)略微升高。

圖12 不同CF含量的CF/PEEK摩擦表面靜電電壓

為了更好地描述CF在CF/PEEK復(fù)合材料摩擦過程中抗靜電的機(jī)理，對(duì)CF/PEEK復(fù)合材料的斷面進(jìn)行掃描電子顯微鏡拍攝，圖13a和圖13b[36]分別是CF為20%的CF/PEEK復(fù)合材料斷面SEM圖片和均勻?qū)щ娋W(wǎng)絡(luò)模型。由圖13a可以明顯看到部分裸露的CF被高黏性的PEEK緊密地包裹著，一部分CF被另一截CF/PEEK復(fù)合材料拔出，留下CF坑，并且CF在PEEK基體材料中均勻分布，通過自由搭建形成三維空間連續(xù)的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。圖13b是根據(jù)CF在PEEK基體中的分布方式模擬出來的均勻?qū)щ娋W(wǎng)絡(luò)模型，更直觀地說明了CF/PEEK復(fù)合材料在摩擦過程中的抗靜電機(jī)理。

(a)CF為20%的CF/PEEK復(fù)合材料斷面形貌

3 結(jié)論

(1)通過XRD物相分析和傅里葉紅外光譜結(jié)構(gòu)分析，發(fā)現(xiàn)350 ℃燒結(jié)溫度下CF含量沒有改變PEEK特征峰位置和強(qiáng)度，對(duì)PEEK中的官能團(tuán)也沒有產(chǎn)生影響。

(2)通過對(duì)DSC圖譜、TG圖譜和熱導(dǎo)率分析，發(fā)現(xiàn)PEEK材料的熔點(diǎn)為343 ℃左右，初始分解溫度約為556 ℃，添加CF使PEEK的熱穩(wěn)定性和導(dǎo)熱性能得到大幅度改善。

(3)在室溫條件下，對(duì)純PEEK及其CF/PEEK復(fù)合材料進(jìn)行摩擦學(xué)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)20% CF的加入顯著提高了PEEK材料的摩擦磨損性能，故20%為最優(yōu)添加含量。PEEK及CF/PEEK復(fù)合材料的磨損機(jī)理以黏著磨損和磨粒磨損為主。

(4)通過對(duì)不同CF含量CF/PEEK復(fù)合材料的表面摩擦靜電表征，得到添加20%的CF含量為CF/PEEK的逾滲閾值，此時(shí)表面摩擦靜電幾乎全部消失。