不同對磨面材質(zhì)對氟化石墨改性聚醚醚酮摩擦學性能的影響

雷 鳴，夏庚培，江 瑜，艾道義，游宗英，喻思亞，涂建磊，成皓楠，向 維，黃代麒

（成都產(chǎn)品質(zhì)量檢驗研究院有限責任公司，成都市產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗研究院，國家光伏產(chǎn)品質(zhì)量檢驗檢測中心，成都 610000）

0 前言

PEEK 作為一種性能極其優(yōu)異的特種工程塑料，其具有耐高溫、耐腐蝕、生物穩(wěn)定性、力學性能優(yōu)異等特點，被譽為“金字塔尖的聚合物”［1-2］。因此，PEEK 及其復合材料在航空、航天、醫(yī)療、機械傳動等關(guān)鍵領(lǐng)域扮演著十分重要的角色。由于近些年材料“輕量化”的發(fā)展趨勢，“以塑代鋼”在很多領(lǐng)域十分常見。其中，由于PEEK 優(yōu)異的力學性能和耐磨損性能，其常用于軸承、齒輪、人工關(guān)節(jié)等涉及摩擦工況的應用［3-4］。然而，由于純PEEK 在高速重載條件下摩擦因數(shù)較高，同時散熱較慢的缺點會使其磨面在摩擦過程中容易產(chǎn)生塑性變形，嚴重時還會產(chǎn)生較大的磨損，進而導致器件失效［5-6］。因此，降低PEEK 的摩擦因數(shù)進而提升其耐磨性能，有助于延長其服役壽命。

采用固體自潤滑添加劑改善PEEK 的摩擦磨損性能是一種十分有效的方法。目前，常用于改善PEEK摩擦磨損性能的添加劑主要有石墨［7］、聚四氟乙烯［8］、碳纖維［9］等。除此之外，氟化石墨［10-11］作為一種新型的氟-碳材料近些年也逐漸運用到材料潤滑性能的研究當中。與石墨相比，氟化石墨具有更低的表面能、更小的層間能、疏水性良好等性能，因此，氟化石墨在諸多領(lǐng)域表現(xiàn)出更為優(yōu)異的潤滑性能。

然而，在已有的研究中，鮮有論文報道采用氟化石墨改善PEEK 摩擦磨損性能的研究。因此，本論文通過熔融共混擠出-注塑的方法制備了PEEK/氟化石墨復合材料，探究了氟化石墨的含量以及摩擦環(huán)材質(zhì)對PEEK 復合材料摩擦磨損性能的影響，并對其摩擦磨損機理進行了分析。

1 實驗部分

1.1 主要原料

PEEK，粉末，長春吉大特塑工程研究有限公司；

氟化石墨，上海福邦化工有限公司，其基礎(chǔ)數(shù)據(jù)表征如圖1所示，通過圖1（a）中的XRD曲線可知氟化石墨為結(jié)晶態(tài)結(jié)構(gòu)；從圖1（b）和表1 中可知，氟化石墨主要由氟元素和碳元素組成，同時含有少量氧元素。同時，從圖1（c）、（d）中碳元素和氟元素的分譜可知氟在氟化石墨中是以C-F鍵的形式存在。從圖1（e）中的SEM和Mapping圖可知，碳元素和氧元素的分布十分均勻。

表1 氟化石墨的各元素相對含量Tab.1 Relative element content of fluorinated graphite

圖1 氟化石墨基礎(chǔ)數(shù)據(jù)表征Fig.1 Characterization of fluorinated graphite

1.2 主要設(shè)備及儀器

雙螺桿擠出機，SJZS-10A，武漢瑞鳴塑機有限公司；

注塑機，SZS-20，武漢瑞鳴塑機有限公司；

環(huán)-塊摩擦磨損測試機，M-200，北京冠測精電儀器設(shè)備有限公司；

掃描電子顯微鏡（SEM），SU3500，日本日立公司；

能譜分析，Sigma 300，德國ZEISS公司；

X 射線光電子能譜，K-Alpha，美國Thermo Scientific公司；

X 射線衍射儀（XRD），Empyrean，荷蘭PANalytical公司。

1.3 樣品制備

PEEK/氟化石墨復合材料的制備：實驗前，將氟化石墨與PEEK粉末置于烘箱中120 ℃干燥6 h。取質(zhì)量分數(shù)為5 %、10 %、15 %、20 %的氟化石墨與PEEK于燒杯中預混合，后通過雙螺桿擠出機共混擠出，螺桿的各段溫度分別為340、350、360、360 ℃，螺桿轉(zhuǎn)速為30 r/min。將擠出的共混物隨即置于注塑機中注塑成測試樣條，注塑機機筒溫度為380 ℃，模具溫度為160 ℃。

1.4 性能測試與結(jié)構(gòu)表征

采用M-200 型環(huán)-塊摩擦磨損測試機對材料在無潤滑劑條件下的摩擦磨損性能進行了表征，對磨面鋼環(huán)為304#不銹鋼環(huán)和45#鋼環(huán)。在測試前，采用800 目的砂紙對鋼環(huán)和樣品表面進行打磨，然后用乙醇清洗表面以去除可能存在的污漬。在設(shè)置的載荷下和0.42 m/s 的滑動速度對樣品進行摩擦磨損性能測試。其中，摩擦因數(shù)、磨損率的公式如下：

式中μ——摩擦因數(shù)

M——摩擦扭矩，N·m

F——測試載荷，N

R——鋼環(huán)半徑，mm

V——磨損體積，mm3

d——樣品的寬度，mm

b——經(jīng)過測試后的樣品磨痕寬度，mm

t——測試時間，s

W——體積磨損率，mm3/s

2 結(jié)果與討論

2.1 氟化石墨添加量對復合材料摩擦磨損性能的影響

圖2 為不同氟化石墨添加量下復合材料在200 N載荷下隨滑動時間變化的動態(tài)摩擦因數(shù)圖。從圖中可知PEEK/氟化石墨與兩種摩擦環(huán)的動態(tài)摩擦因數(shù)差異較大。如圖2（a）所示，當與304#鋼環(huán)摩擦時，低氟化石墨添加量（5 %）的PEEK 復合材料的摩擦因數(shù)在短時間內(nèi)出現(xiàn)了快速上升并達到儀器的測試極限，因此摩擦測試不得不終止，這表明低氟化石墨添加量難以使PEEK 和304#鋼環(huán)摩擦時產(chǎn)生較好的潤滑效果。氟化石墨添加量的增大可以有效提升復合材料與304#鋼環(huán)的潤滑性能，當氟化石墨添加量大于10 %時，復合材料均能與304#鋼環(huán)完成預定的實驗測試，但測試過程中摩擦因數(shù)的值不太穩(wěn)定、波動較大。而當PEEK/氟化石墨復合材料與45#鋼環(huán)摩擦時，PEEK 在氟化石墨添加量為5 %時也能完成測試，這與304#鋼環(huán)形成明顯差異。對于添加量為5 %氟化石墨的PEEK 復合材料而言，其與45#鋼環(huán)摩擦后的磨面比較光滑［圖4（e）］，這一結(jié)果說明PEEK/5 %氟化石墨復合材料與45#鋼環(huán)摩擦時，復合材料在摩擦熱和剪切力的作用下能夠轉(zhuǎn)移到45#鋼環(huán)表面填滿溝壑并形成轉(zhuǎn)移膜，從而有效降低了45#鋼環(huán)對復合材料表面的刮擦，這對45#鋼環(huán)與復合材料摩擦時摩擦學性能的提升十分重要。而與304#鋼環(huán)摩擦后，PEEK/5 %氟化石墨復合材料的磨痕面十分粗糙，且有十分明顯的劃痕［見圖4（a）］，這表明在摩擦時復合材料難以在304#鋼環(huán)表面形成穩(wěn)定轉(zhuǎn)移膜，使得304#鋼環(huán)會不斷對復合材料表面產(chǎn)生刮擦作用，造成嚴重塑性變形并對轉(zhuǎn)動的304#鋼環(huán)產(chǎn)生黏著作用，從而使得摩擦力增大，摩擦因數(shù)快速上升，并最終超過儀器限定而自動停機。此外，數(shù)據(jù)還顯示與45#鋼環(huán)摩擦時摩擦因數(shù)的波動比與304#鋼環(huán)時明顯更低［圖2（b）］。

圖2 不同摩擦環(huán)下復合材料摩擦因數(shù)隨氟化石墨含量的變化Fig.2 Friction coefficient of composites with different friction rings against the content of fluorinated graphite

不同氟化石墨添加量的PEEK 復合材料平均摩擦因數(shù)和體積磨損率如圖3所示。其中，PEEK 復合材料與兩種摩擦環(huán)的平均摩擦因數(shù)隨氟化石墨含量的變化趨勢呈現(xiàn)明顯差異，與304#鋼環(huán)摩擦時PEEK 復合材料的平均摩擦因數(shù)隨氟化石墨添加量的增加有降低的趨勢，而與45#鋼環(huán)摩擦時摩擦因數(shù)的變化差異卻并不明顯。此外，當氟化石墨添加量大于15 %時，復合材料與304#鋼環(huán)摩擦時的摩擦因數(shù)比與45#鋼環(huán)時要低。對于體積磨損率而言，PEEK/氟化石墨復合材料與45#鋼環(huán)和304#不銹鋼環(huán)摩擦時的體積磨損率均隨氟化石墨添加量的增加而增大。造成這一結(jié)果的原因可能是由于氟化石墨本身較軟，添加量的增大會對PEEK 復合材料的硬度造成不利影響，進而降低復合材料抵御磨損的能力，并最終造成復合材料的體積磨損率隨氟化石墨添加量的增加有所增大。

圖3 不同摩擦環(huán)下復合材料的平均摩擦因數(shù)（a）和體積磨損率（b）Fig.3 Effect of friction rings on average friction coefficient（a） and volume wear rate （b） of composites

圖4 為不同氟化石墨添加量下PEEK 復合材料的磨痕形貌圖。由圖可知，PEEK/氟化石墨復合材料與兩種鋼環(huán)摩擦后的磨痕形貌差異明顯。對于304#鋼環(huán)而言，添加量為5 %氟化石墨的PEEK 復合材料磨面十分粗糙，有明顯的摩擦所導致的塑性變形［圖4（a）］。這可能是由于氟化石墨添加量較小，摩擦過程中在磨面上難以產(chǎn)生穩(wěn)定潤滑作用，使得所產(chǎn)生的摩擦熱持續(xù)積累且難以釋放，進而使PEEK 復合材料表面發(fā)生軟化，并最終出現(xiàn)明顯的塑性變形。隨著氟化石墨添加量的增大，摩擦過程中的潤滑效果得到提升，PEEK 復合材料的磨痕表面也逐漸變得光滑［圖4（b）~（d）］，這也與圖3（a）中復合材料與304#鋼環(huán)摩擦時的平均摩擦因數(shù)變化趨勢相對應。而對于45#鋼環(huán)而言，復合材料在摩擦后其磨面形貌差異隨氟化石墨添加量變化并不十分明顯，但均存在少量的塑性變形。此外，值得注意的是，相同氟化石墨添加量下復合材料與45#鋼環(huán)摩擦后的磨面比與304#鋼環(huán)摩擦后更加光滑，這種差異可能與兩種摩擦環(huán)本身的理化性能不同有關(guān)。

圖4 不同摩擦環(huán)下復合材料的磨痕微觀形貌Fig.4 Microstructure of wear marks of composites under different friction rings

2.2 摩擦載荷對復合材料摩擦磨損性能的影響

考慮到PEEK 復合材料與鋼環(huán)組成的摩擦副還可能在不同的使用工況下進行應用，因此，對更高載荷（300 N）和更低載荷（100 N）下氟化石墨添加量為20 %的PEEK 復合材料的摩擦磨損性能進行了表征。如圖5（a）所示，復合材料與304#鋼環(huán)和45#鋼環(huán)在300 N的載荷下均表現(xiàn)出較差的摩擦學性能，摩擦因數(shù)均快速上升并造成測試自動停止。而在100 N的低載荷下，PEEK 復合材料與兩種摩擦環(huán)摩擦時均能完成預定測試，同時摩擦因數(shù)隨測試時間的波動也更大。這種波動可能是由于100 N 的輕載下復合材料與摩擦環(huán)難以形成穩(wěn)定的接觸造成的。

圖5 不同載荷下復合材料的摩擦因數(shù)變化曲線Fig.5 Friction coefficient of the composites under different friction rings

圖6 對比了PEEK/20 %氟化石墨復合材料在不同載荷下的平均摩擦因數(shù)和體積磨損率。數(shù)據(jù)顯示，復合材料與兩種摩擦環(huán)在低載荷（100 N）下均表現(xiàn)出更高的平均摩擦因數(shù)，但是體積磨損率更低。低載荷（100 N）下更高的平均摩擦因數(shù)可能是由于PEEK 復合材料難以在摩擦過程中向?qū)δッ孓D(zhuǎn)移，從而難以在對磨面鋼環(huán)上形成穩(wěn)定的轉(zhuǎn)移膜，進而造成摩擦過程中摩擦面上的潤滑作用有限。而對于體積磨損率而言，更低的載荷也意味著摩擦過程中鋼環(huán)對復合材料表面的剪切減弱，剪切減弱勢必會減少鋼環(huán)對復合材料的刮擦，從而產(chǎn)生更小的體積磨損率。

圖6 不同摩擦環(huán)下PEEK/20 %氟化石墨復合材料的平均摩擦因數(shù)和體積磨損率Fig.6 Average friction coefficient and volume wear rate of PEEK/20 % fluorinated ink composites under different friction rings

復合材料在不同載荷下的磨痕形貌如圖7所示，在300 N 的重載條件下，復合材料與兩種鋼環(huán)摩擦后的磨面均出現(xiàn)了明顯的摩擦導致的塑性變形［圖7（a）和（d）］，這表明氟化石墨添加量為20 %的復合材料依然難以在重載工況下表現(xiàn)出較優(yōu)的潤滑效果，從而產(chǎn)生較差的摩擦磨損性能，這說明在此載荷下復合材料的磨損機理主要為疲勞磨損和黏著磨損。而隨著摩擦載荷的降低，可以發(fā)現(xiàn)復合材料的磨痕表面開始變得光滑、平整，這可能是由于較低載下鋼環(huán)與復合材料產(chǎn)生的摩擦熱較小，復合材料不易發(fā)生塑性變形。然而，仔細觀察也可發(fā)現(xiàn)復合材料的磨面出現(xiàn)了許多沿滑動方向排列的犁溝，這些犁溝是由于摩擦過程中對磨面鋼環(huán)的刮擦所產(chǎn)生的。因此，在此條件下的磨損機理主要以輕微的磨粒磨損為主。

3 結(jié)論

（1）隨氟化石墨添加量的增大，PEEK 復合材料與304#鋼環(huán)摩擦時的摩擦因數(shù)呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢，與45#鋼環(huán)摩擦時并無明顯變化趨勢。

（2）當氟化石墨添加量低于10 %時，PEEK復合材料與45#鋼環(huán)摩擦時展示出更低的摩擦因數(shù)。當氟化石墨添加量超過于15 %時，PEEK 復合材料與304#鋼環(huán)展示出更低的摩擦因數(shù)。

（3）隨氟化石墨添加量的增大，復合材料與304#鋼環(huán)和45#鋼環(huán)摩擦后的體積磨損率均不斷增大。

（4）PEEK/氟化石墨復合材料在低載荷下表現(xiàn)出一個更高的摩擦因數(shù)，但體積磨損率更低。