仿生多孔潤(rùn)滑耐磨CF／PTFE／PEEK復(fù)合材料的設(shè)計(jì)及其摩擦學(xué)性能

汪懷遠(yuǎn)，林 珊，張 帥，楊淑慧，朱艷吉

（東北石油大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，黑龍江 大慶163318）

聚合物基復(fù)合材料廣泛用于無(wú)油潤(rùn)滑（干摩擦條件）、水潤(rùn)滑等滑動(dòng)部件中，取代了傳統(tǒng)金屬材料成為一類(lèi)新型的潤(rùn)滑耐磨材料［1］。PEEK是一種耐高溫?zé)崴苄运芰?，具有高?qiáng)度、高模量、耐水解、高斷裂韌性以及優(yōu)良的尺寸穩(wěn)定性，特別是其突出的耐熱性能、化學(xué)穩(wěn)定性、耐磨性能。由于PEEK獨(dú)特的性能，使其在航空航天、汽車(chē)制造、精密儀器儀表等方面具有廣泛的應(yīng)用，開(kāi)發(fā)利用前景十分廣闊［2，3］。

然而，純PEEK摩擦因數(shù)偏高、導(dǎo)熱困難、聚熱嚴(yán)重，容易引起材料過(guò)早失效，無(wú)法適應(yīng)較高速率、較大載荷工況下的使用。為了使它能在苛刻條件下廣泛應(yīng)用，需對(duì)PEEK進(jìn)行填充改性。PTFE是一種良好的固體潤(rùn)滑劑，摩擦因數(shù)低且與聚合物有較好的親和力，所以將它填充到聚合物中，能夠顯著改善材料的摩擦磨損性能［4－6］。而多孔聚合物材料是將多孔材料與聚合物功能性相結(jié)合，然后將自潤(rùn)滑油脂浸漬進(jìn)入該孔結(jié)構(gòu)中，在摩擦熱的作用下對(duì)摩擦表面實(shí)現(xiàn)自潤(rùn)滑作用，起到減摩抗磨目的［7，8］。纖維具有較高的比強(qiáng)度、比模量，兼具承載能力及耐磨性，在提高材料耐磨性能方面，纖維是公認(rèn)的優(yōu)良增強(qiáng)材料［9－11］。PEEK具有類(lèi)似于金屬的力學(xué)強(qiáng)度［12］，適合作為多孔復(fù)合材料的基體。

本工作綜合上述材料性能特點(diǎn)，從摩擦學(xué)設(shè)計(jì)角度出發(fā)，設(shè)計(jì)制備了減摩耐磨、增強(qiáng)型多孔發(fā)汗PEEK復(fù)合材料，并向其孔中注入潤(rùn)滑油脂，制成了多孔發(fā)汗式自潤(rùn)滑耐磨復(fù)合材料。考察了PTFE，NaCl含量及CF層間間距對(duì)復(fù)合材料耐磨性能的影響，并采用SEM對(duì)復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了觀察分析。本工作具有廣闊應(yīng)用前景，也為高性能仿生減摩耐磨聚合物復(fù)合材料的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)提供了參考意義。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 主要原料及多孔復(fù)合材料的制備

1.1.1 原料

PEEK模壓粉，平均粒徑150μm，吉大高科提供；聚四氟乙烯（PTFE），平均粒徑25μm，杜邦產(chǎn)；炭纖維布（200g型號(hào)，日本東麗）；NaCl（食品級(jí)），平均粒徑109μm，自制；通用鋰基脂，哈爾濱華潤(rùn)提供。

1.1.2 多孔復(fù)合材料的制備

PEEK，PTFE，NaCl，炭纖維布在120℃下預(yù)干燥2h，將PEEK，PTFE，NaCl按一定比例高速攪拌形成共混粉體，再將炭纖維布在模具中以層鋪的方法與共混粉體進(jìn)行鋪設(shè)，然后模壓成型得到復(fù)合材料模壓件。模壓件通過(guò)熱處理、機(jī)械加工（內(nèi)外半徑等），濾取造孔劑形成具有一定孔隙率的多孔復(fù)合材料，最后用潤(rùn)滑脂真空熱熔浸漬得到多孔自潤(rùn)滑復(fù)合材料。

1.2 性能測(cè)試

采用MPX－200型盤(pán)銷(xiāo)式摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)雙環(huán)接觸形式考察復(fù)合材料的摩擦學(xué)性能。實(shí)驗(yàn)條件：載荷100，200N，滑動(dòng)速率1.4m／s，實(shí)驗(yàn)周期120min。每種試樣重復(fù)進(jìn)行3次摩擦磨損實(shí)驗(yàn)，取3次測(cè)量結(jié)果的平均值作為最終結(jié)果。摩擦因數(shù)由摩擦力矩經(jīng)過(guò)計(jì)算獲得，實(shí)驗(yàn)前后樣環(huán)的磨損量（精確到0.1mg）采用FA2004N型電子分析天平稱(chēng)量。摩擦表面溫度由TI130非接觸式紅外測(cè)溫儀測(cè)得?？紫堵剩≒）通過(guò)以下公式計(jì)算得到：

式中：ρ為實(shí)際密度；ρ0為理論密度。

采用QUANTA－200型掃描電子顯微鏡（SEM）分析復(fù)合材料磨損面、切斷面、對(duì)偶面的形貌。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 PTFE含量對(duì)PEEK復(fù)合材料摩擦磨損性能影響

圖1為PTFE含量對(duì)PEEK復(fù)合材料摩擦磨損性能影響示意圖。如圖1所示，隨PTFE含量增加，PEEK復(fù)合材料摩擦因數(shù)、磨損率先減小后增大。200N載荷時(shí)，當(dāng)PTFE含量為20%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）時(shí)，PEEK復(fù)合材料摩擦因數(shù)、磨損率及磨損面的溫度最小。在摩擦過(guò)程中，隨PTFE含量增加，PTFE在對(duì)偶面形成連續(xù)轉(zhuǎn)移膜（見(jiàn)圖7（b）），起到自潤(rùn)滑作用，降低了PEEK復(fù)合材料摩擦因數(shù)。而當(dāng)PTFE過(guò)量時(shí)，PTFE抗磨能力差，會(huì)脫落成磨屑，破壞原已在對(duì)磨面上形成的轉(zhuǎn)移膜，從而加快對(duì)摩面的磨損。因此，20%PTFE對(duì)PEEK復(fù)合材料來(lái)說(shuō)是良好的固體潤(rùn)滑添加劑，能有效降低PEEK復(fù)合材料的摩擦因數(shù)和磨損率。

圖1 在不同載荷下PTFE含量對(duì)PEEK復(fù)合材料摩擦因數(shù)（a）和磨損率（b）的影響Fig.1 Effect of PTFE content on the friction coefficient（a）and wear rate（b）of PEEK self－lubricating composite materials under different loads

2.2 NaCl含量對(duì)多孔PTFE／PEEK復(fù)合材料摩擦磨損性能影響

圖2為NaCl含量對(duì)多孔PTFE／PEEK復(fù)合材料摩擦因數(shù)和磨損率影響示意圖。如圖2所示，隨NaCl含量增加，多孔PTFE／PEEK復(fù)合材料摩擦因數(shù)和磨損率先減小后增大，而孔隙率逐漸增大。NaCl含量為30%時(shí)，摩擦因數(shù)和磨損率最小，孔隙率可達(dá)到40.19%。當(dāng) NaCl含量大于30%時(shí)，多孔PTFE／PEEK復(fù)合材料孔隙率偏高，平均孔徑增大，樣品承載能力及毛細(xì)作用下降，油脂保持率下降，樣品出現(xiàn)甩油現(xiàn)象，導(dǎo)致磨損率增大。而當(dāng)NaCl含量小于30%時(shí)，多孔PTFE／PEEK復(fù)合材料中孔道數(shù)量相對(duì)偏少，孔隙率偏低，存儲(chǔ)的潤(rùn)滑油脂相對(duì)偏少，在摩擦過(guò)程中，不能形成穩(wěn)定的潤(rùn)滑油膜，導(dǎo)致磨損率增大。從圖3（b）可以看出，孔道連通性最好。綜上所述，30%NaCl為最佳造孔劑含量。

圖2 在不同載荷下NaCl含量對(duì)多孔PTFE／PEEK復(fù)合材料摩擦因數(shù)（a）和磨損率（b）的影響Fig.2 Effect of NaCl content on the friction coefficient（a）and wear rate（b）of porous PTFE／PEEK self－lubricating composite materials under different loads

圖3 20%PTFE／PEEK復(fù)合材料（a）與多孔20%PTFE／PEEK復(fù)合材料（b）微觀結(jié)構(gòu)Fig.3 Microstructure of 20%PTFE／PEEK composite materials（a）and porous 20%PTFE／PEEK composite materials（b）

圖3為多孔PTFE／PEEK復(fù)合材料與PTFE／PEEK復(fù)合材料切斷面比較圖。從圖3（a）可以發(fā)現(xiàn)，PTFE／PEEK復(fù)合材料幾乎沒(méi)有孔道，則材料不能儲(chǔ)存潤(rùn)滑油脂，起不到很好自潤(rùn)滑作用，材料磨損量較大。從圖3（b）可見(jiàn)，材料致孔效果明顯，孔分布均勻，并且孔與孔之間連通性很好。而貫通型的微孔能夠儲(chǔ)存一定量的潤(rùn)滑油脂，使材料在摩擦過(guò)程中形成穩(wěn)定連續(xù)的潤(rùn)滑油膜。

2.3 炭纖維布層間間距對(duì)多孔CF／PTFE／PEEK自潤(rùn)滑耐磨復(fù)合材料摩擦磨損性能影響

圖4為炭纖維布（CF）在磨損面中鋪設(shè)示意圖。由圖4可知，磨損面臺(tái)階高度為2mm，而磨損面中的基體厚度隨炭纖維布層間間距減小逐漸變薄。炭纖維布在多孔CF／PTFE／PEEK復(fù)合材料中占體積分?jǐn)?shù)過(guò)大將會(huì)降低基體和炭纖維之間的黏結(jié)力，試樣易分層，環(huán)易損壞，從而影響多孔CF／PTFE／PEEK復(fù)合材料的摩擦學(xué)特性，因而炭纖維布層間間距選取很重要。

圖4 CF在PEEK復(fù)合材料中鋪設(shè)方法Fig.4 The distribution of CF cloth in the PEEK composites

圖5為炭纖維布層間間距對(duì)多孔CF／PTFE／PEEK自潤(rùn)滑耐磨復(fù)合材料摩擦因數(shù)和磨損率的影響結(jié)果。如圖5所示，隨炭纖維布層間間距逐漸減小，多孔CF／PTFE／PEEK自潤(rùn)滑耐磨復(fù)合材料摩擦因數(shù)、磨損率先減小后增大。載荷為200N、炭纖維布層間間距0.4mm時(shí)，多孔CF／PTFE／PEEK自潤(rùn)滑耐磨復(fù)合材料磨損率最低，為3.47×10－16m3／Nm。當(dāng)炭纖維布層間間距大于0.4mm時(shí)：炭纖維因摩擦發(fā)生斷裂以及從基體中剝落出來(lái)，使得纖維增強(qiáng)效果并不明顯；而當(dāng)炭纖維布層間間距小于0.4mm時(shí)：炭纖維在摩擦過(guò)程中斷裂的碎片以及炭纖維從基體中脫離的量較多，破壞了多孔CF／PTFE／PEEK自潤(rùn)滑耐磨復(fù)合材料和對(duì)偶件之間形成的轉(zhuǎn)移膜，導(dǎo)致磨損量也增大。當(dāng)載荷為200N、炭纖維布層間間距為0.056mm時(shí)，過(guò)量炭纖維在載荷作用下形成自潤(rùn)滑的石墨顆粒，從而磨損率偏小，但炭纖維與基體的界面結(jié)合強(qiáng)度下降，樣品易分層，與圖3的結(jié)論一致。綜上所述，炭纖維布層間間距為0.4mm時(shí)為最佳炭纖維層間距。

圖5 在不同載荷下CF層間間距對(duì)多孔CF／PTFE／PEEK復(fù)合材料摩擦因數(shù)（a）和磨損率（b）的影響Fig.5 Effect of CF layers distance on the friction coefficient（a）and wear rate（b）of porous CF／PTFE／PEEK self－lubricating materials under different loads

2.4 多孔CF／PTFE／PEEK自潤(rùn)滑耐磨復(fù)合材料與純PEEK材料、經(jīng)典CF／PEEK復(fù)合材料等材料的摩擦性能對(duì)比

表1是多孔CF／PTFE／PEEK自潤(rùn)滑耐磨復(fù)合材料與純PEEK材料、經(jīng)典CF／PEEK復(fù)合材料、多孔PTFE／PEEK自潤(rùn)滑復(fù)合材料摩擦因數(shù)、磨損率和磨損面溫度數(shù)值對(duì)比。多孔CF／PTFE／PEEK自潤(rùn)滑耐磨復(fù)合材料與純PEEK材料干摩擦相比，耐磨性提高了979倍；比經(jīng)典CF／PEEK復(fù)合材料耐磨性提高了25倍；比多孔PTFE／PEEK自潤(rùn)滑復(fù)合材料耐磨性還提高了10倍。因?yàn)槎嗫證F／PTFE／PEEK自潤(rùn)滑耐磨復(fù)合材料，在摩擦過(guò)程中，本身材料能形成轉(zhuǎn)移膜，使摩擦副與復(fù)合材料隔離，而多孔結(jié)構(gòu)又能均勻釋放油脂，在磨損面上形成連續(xù)穩(wěn)定的潤(rùn)滑油膜，并且CF起到支撐骨架作用，因此降低了材料的摩擦因數(shù)和磨損率，使材料的減摩耐磨性能得到很大提高。

表1 200N下幾種PEEK復(fù)合材料摩擦磨損性能對(duì)比Table 1 The comparative tribological performances of several PEEK composites（200N）

200N載荷下，純PEEK干摩擦?xí)r磨損面溫度為129℃，而多孔CF／PTFE／PEEK自潤(rùn)滑耐磨復(fù)合材料磨損面溫度為26.8℃，此材料大幅度降低了磨損面溫度，潤(rùn)滑油脂的流動(dòng)速率很小，從而確保了此材料能長(zhǎng)久的自潤(rùn)滑的目的，克服了PEEK摩擦因數(shù)偏高問(wèn)題。對(duì)于解決PEEK材料在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中的熱積累問(wèn)題起到重要作用，為苛刻環(huán)境下PEEK的使用提供了新的可行性思路。

2.5 磨損面及斷面SEM分析

圖6為多孔0.4mm CF／30%NaCl／20%PTFE／PEEK自潤(rùn)滑耐磨復(fù)合材料斷面與經(jīng)典15%CF／PEEK復(fù)合材料及多孔30%NaCl／20%PTFE／PEEK自潤(rùn)滑復(fù)合材料磨損面比較圖。從圖6（a）明顯看出，CF填充PEEK復(fù)合材料磨損面出現(xiàn)與磨損方向一致的犁溝。在摩擦過(guò)程中，基體沿著滑動(dòng)方向首先被磨去，使得CF露頭，露出的CF被完整折斷［13］，磨損面因CF剝落形成犁溝。磨損方式主要以犁削磨損為主。圖6（b）磨損面在自潤(rùn)滑條件下，形成油膜，磨損面比較光滑，僅有黏著痕跡，磨損機(jī)理主要以輕微黏著磨損為主。而圖6（c）斷面中，可見(jiàn)CF在復(fù)合材料中有序排列，孔道較均勻地分布在斷面上。PEEK中的CF起到支撐骨架作用，并協(xié)同PTFE起到良好的潤(rùn)滑耐磨作用。材料中分布著的微孔可以?xún)?chǔ)存潤(rùn)滑油脂，摩擦過(guò)程中在熱和載荷作用下穩(wěn)定釋放潤(rùn)滑油脂，起到良好的自潤(rùn)滑作用。

圖6 經(jīng)典CF／PEEK復(fù)合材料磨損面（a）、多孔PTFE／PEEK復(fù)合材料磨損面（b）和多孔CF／PTFE／PEEK復(fù)合材料斷面（c）的SEM照片F(xiàn)ig.6 SEM micrographs of the worn surfaces of CF／PEEK （a），the worn surfaces of porous PTFE／PEEK（b）and the cross section of porous CF／PTFE／PEEK（c）

2.6 對(duì)偶面SEM分析

圖7為多孔0.4mm CF／30%NaCl／20%／PTFE／PEEK自潤(rùn)滑耐磨復(fù)合材料與經(jīng)典15%CF／PEEK復(fù)合材料及多孔30%NaCl／20%PTFE／PEEK自潤(rùn)滑復(fù)合材料對(duì)偶面比較圖。從圖7（a）觀察到，對(duì)偶面不光滑，因?yàn)闊o(wú)轉(zhuǎn)移膜、油膜形成，并且對(duì)偶面與剝落的CF不斷刮擦及犁削，因而造成明顯犁痕。圖7（b）在摩擦過(guò)程中，PTFE轉(zhuǎn)移到對(duì)偶件上形成薄的轉(zhuǎn)移膜，并且多孔結(jié)構(gòu)有穩(wěn)定的油膜存在，摩擦行為在PEEK基體與轉(zhuǎn)移膜及油膜之間進(jìn)行，對(duì)偶面比較光滑。而圖圖7（c）在自潤(rùn)滑條件下，有炭纖維填充的對(duì)偶面，整體上比較光滑，偶有因剝落的CF劃出的犁溝。

圖7 經(jīng)典CF／PEEK復(fù)合材料（a）、多孔PTFE／PEEK復(fù)合材料（b）和多孔CF／PTFE／PEEK復(fù)合材料（c）對(duì)偶面的SEM照片F(xiàn)ig.7 SEM micrographs of the counterpart surfaces of CF／PEEK （a），porous PTFE／PEEK （b）and porous CF／PTFE／PEEK （c）

因此，本研究設(shè)計(jì)制備的發(fā)汗式PEEK自潤(rùn)滑復(fù)合材料綜合了高性能樹(shù)脂、多孔結(jié)構(gòu)、發(fā)汗式釋放潤(rùn)滑脂、油膜潤(rùn)滑、纖維布增強(qiáng)等功能于一體，大幅度降低了復(fù)合材料的摩擦因數(shù)和磨損率，實(shí)現(xiàn)了高性能的減摩耐磨效果，顯示良好的應(yīng)用前景。

3 結(jié)論

（1）采用模壓－濾取和高溫真空熔漬工藝制備了自身發(fā)汗式潤(rùn)滑耐磨多孔CF／PTFE／PEEK復(fù)合材料，PTFE含量為20%、NaCl為30%、炭纖維布層間間距為0.4mm時(shí)，所得多孔CF／PTFE／PEEK復(fù)合材料摩擦因數(shù)和磨損率最低，200N下摩擦因數(shù)和磨損率可低至0.0192和3.47×10－16m3／Nm。獲得的多孔 CF／PTFE／PEEK復(fù)合材料與純PEEK干摩擦相比，耐磨性提高了979倍，較經(jīng)典CF／PEEK復(fù)合材料其耐磨性還提高了25倍，顯示出優(yōu)異的自潤(rùn)滑和耐磨性能。

（2）對(duì)于多孔CF／PTFE／PEEK復(fù)合材料，微孔中的潤(rùn)滑脂在載荷和溫度作用下向摩擦面擴(kuò)散，形成了穩(wěn)定潤(rùn)滑油膜，降低了材料摩擦因數(shù)和磨損率。CF布在復(fù)合材料中有序排列，不僅起到支撐骨架作用，而且還起到協(xié)同耐磨作用。本研究設(shè)計(jì)的多孔發(fā)汗式PEEK復(fù)合材料具有很好的摩擦磨損性能，解決了PEEK材料在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中的熱積累問(wèn)題。

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