聚醚醚酮及其復(fù)合材料摩擦性能研究進(jìn)展

侯天武 李秉軻 顏華 楊敏 陳聰?shù)?/p>

摘 要：聚醚醚酮、聚醚醚酮及其復(fù)合材料的力學(xué)性能、改性技術(shù)和成型工藝。著重評(píng)述聚醚醚酮的摩擦學(xué)特性及其耐磨機(jī)理；對(duì)聚醚醚酮及其復(fù)合材料的摩擦磨損性能、在滑動(dòng)過程中形成的摩擦轉(zhuǎn)移膜以及磨屑的研究；介紹聚醚醚酮基復(fù)合材料摩擦學(xué)研究的一般方法及規(guī)律。介紹了近年來改性聚醚醚酮復(fù)合材料的研究進(jìn)展，詳細(xì)介紹了各種共混改性聚醚醚酮復(fù)合材料的摩擦磨損性能，并展望了耐磨聚醚醚酮復(fù)合材料未來的發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：聚醚醚酮 復(fù)合材料 摩擦性能

中圖分類號(hào)：TQ326.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(jié)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(huán)、柔順的醚鍵及提高分子間作用力的羰基，結(jié)構(gòu)規(guī)整，綜合性能優(yōu)異，尤其是耐熱性和摩擦學(xué)性能較一般工程塑料好，是一種重要的自潤滑減摩耐磨復(fù)合材料的基體[1]。聚醚醚酮具有優(yōu)異的物理、化學(xué)、力學(xué)、熱性能，作為高性能復(fù)合材料的基體在工程中得到廣泛應(yīng)用[2-3]。為了改善其摩擦學(xué)性能，常添加纖維、固體潤滑劑及硬質(zhì)填料；或者進(jìn)行表面處理，以降低摩擦，增加耐磨性[4]。纖維增強(qiáng)的聚醚醚酮復(fù)合材料具有優(yōu)異的耐摩擦、抗蠕變性、抗?jié)駸崂匣院湍蜎_擊性能[5]。

目前，聚醚醚酮及其復(fù)合材料的制備及改性研究是一個(gè)熱點(diǎn)，有關(guān)成果在工業(yè)發(fā)達(dá)國家已經(jīng)得到實(shí)際應(yīng)用。與其它聚合物相比，聚醚醚酮及其復(fù)合材料可以應(yīng)用在較高的溫度下。聚醚醚酮及其復(fù)合材料與金屬材料相對(duì)滑動(dòng)摩擦?xí)r，通常在金屬表面形成薄層聚合物轉(zhuǎn)移膜，厚度在納米至微米的范圍內(nèi)。其結(jié)構(gòu)、成分均與原有的聚合物及復(fù)合材料不同；其性能、厚度及連續(xù)程度等均對(duì)摩擦副的摩擦學(xué)性能有重大影響。近年來，隨著實(shí)驗(yàn)手段的完善，對(duì)聚醚醚酮及其復(fù)合材料的納米摩擦學(xué)的研究更加深入。在摩擦學(xué)領(lǐng)域聚醚醚酮及其復(fù)合材料的研究一直是一個(gè)熱點(diǎn)。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(fù)合材料[6-8]。

隨著制造技術(shù)的飛速發(fā)展，交通運(yùn)輸工具和動(dòng)力機(jī)械的速度、負(fù)荷也越來越高，因此對(duì)摩擦材料性能的要求也越來越高，再加上環(huán)保方面的需要，傳統(tǒng)的石棉基摩擦材料已被各種性能優(yōu)異且無環(huán)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(qiáng)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(wěn)定性好、熱衰退周期長、耐磨性好、壽命長、導(dǎo)熱性好、制動(dòng)噪聲小等優(yōu)點(diǎn)，獲得了廣泛的應(yīng)用，被認(rèn)為是最優(yōu)前途的一類摩擦材料[10]。

纖維材料具有價(jià)格低廉、與聚醚醚酮結(jié)合容易、絕緣性能好、沖擊性能和壓縮性能好等優(yōu)點(diǎn)，與聚醚醚酮復(fù)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(fù)合材料廣泛應(yīng)用于航空航天、化工醫(yī)藥、礦山工業(yè)及精密機(jī)械等領(lǐng)域[11]。其中，多種纖維、無機(jī)填料、有機(jī)填料復(fù)合聚醚醚酮以提高摩擦材料的摩擦性能是摩擦材料發(fā)展的一個(gè)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(xiàn)嚴(yán)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(jī)理及摩擦剝落物進(jìn)行了比較系統(tǒng)的研究，通過上述研究發(fā)現(xiàn)，聚醚醚酮在摩擦磨損特征與負(fù)載關(guān)系上表現(xiàn)出連續(xù)變化性，變化前后聚醚醚酮材料的外形結(jié)構(gòu)、表層結(jié)構(gòu)、分子鏈結(jié)構(gòu)、摩擦過程中產(chǎn)生的剝離物等，均表現(xiàn)出不同的效果。

在較低的負(fù)載情況下，材料表面不熔融，摩擦系數(shù)伴隨負(fù)載的增大同時(shí)增大，隨負(fù)載的減小而減小。此時(shí)，摩擦材料表層受連續(xù)作用產(chǎn)生疲勞進(jìn)而發(fā)生脫落，并在脫落過程中發(fā)生晶格破壞，使脫落部分結(jié)晶度降低。

在高負(fù)載區(qū)，材料的摩擦表層熔融，熔體的粘滯性大，造成摩擦系數(shù)高于低負(fù)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(shù)增大而出現(xiàn)伴隨上升的情況。

2 聚醚醚酮復(fù)合材料摩擦性能

2.1 聚醚醚酮基纖維復(fù)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(fù)合材料。通過碳纖維、不銹鋼纖維、樹脂基料的混合順序進(jìn)行。在真空干燥箱中進(jìn)行預(yù)熱，隨后進(jìn)行熱壓，最終制得測(cè)試樣件。該種復(fù)合材料具有摩擦系數(shù)穩(wěn)定，磨損率較低。同時(shí)，在低溫下，主要表現(xiàn)為磨粒磨損；在較高溫度下，主要表現(xiàn)為黏著磨損和磨粒磨損共同作用。

李恩重等[12]研究發(fā)現(xiàn)，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(shù)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(fù)合材料的力學(xué)性能，在摩擦過程中玻纖承載了部分載荷，從而改善了復(fù)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(xì)、破碎，并最終從聚合物中剝落。同時(shí)，通過對(duì)聚醚醚酮和玻纖/聚醚醚酮在水潤滑條件下的摩擦因數(shù)和磨損率的對(duì)比發(fā)下安，相較于干摩擦條件下顯著降低。

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

2.2 聚醚醚酮基無機(jī)填料復(fù)合材料

根據(jù)汪懷遠(yuǎn)等[16]研究結(jié)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(duì)于未改性鈦酸鉀晶須，改性鈦酸鉀晶須填充聚醚醚酮復(fù)合材料的摩擦因數(shù)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(shí)降低了聚醚醚酮的摩擦系數(shù)和磨損率。

2.3 聚醚醚酮基有機(jī)填料復(fù)合材料

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

2.4 聚醚醚酮基納米填料復(fù)合材料

根據(jù)彭旭東等[18]研究的結(jié)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(shù)和磨損率，當(dāng)納米三氧化二鋁的含量為5%～7%時(shí)，聚醚醚酮復(fù)合材料的摩擦學(xué)特性最佳。當(dāng)納米三氧化二鋁的含量較低時(shí)，復(fù)合材料與對(duì)偶面產(chǎn)生的磨損以磨粒磨損和犁削為主；而當(dāng)納米三氧化二鋁的含量較高時(shí)，復(fù)合材料的磨損模式主要是粘著磨損。隨著載荷的增加，復(fù)合材料的摩擦系數(shù)將因納米粒子效應(yīng)和表面摩擦溫升而呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢(shì)。

2.5 聚醚醚酮基多相填料復(fù)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(fù)合材料的摩擦學(xué)性能。隨著復(fù)合材料中晶須添加量增加，摩擦系數(shù)持續(xù)降低。在低晶須含量時(shí)，聚四氟乙烯減磨作用明顯；在較高晶須含量時(shí)，晶須減磨作用比聚四氟乙烯明顯。復(fù)合材料的磨損率隨晶須含量的增加呈現(xiàn)先大幅下降后緩慢回升的趨勢(shì)。CaCO3晶須增強(qiáng)聚醚醚酮減少了復(fù)合材料在摩擦過程中摩擦副表面粘著和剝層的效應(yīng)，阻止了樹脂的熱塑性變形，同時(shí)聚四氟乙烯的加入使得復(fù)合材料在對(duì)偶件表面形成連續(xù)、均勻的轉(zhuǎn)移膜。

根據(jù)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(fù)合材料的摩擦學(xué)性能。當(dāng)Ekonol含量為35%時(shí)，Ekonol/石墨/MoS2/聚醚醚酮復(fù)合材料具有最佳摩擦學(xué)性能。隨著Ekonol含量的增加，復(fù)合材料的磨損原理發(fā)生了由粘著磨損、微切削為主向疲勞磨損為主的轉(zhuǎn)變。

3 結(jié)語

聚醚醚酮及其復(fù)合材料的摩擦學(xué)研究和應(yīng)用還處在起步階段，對(duì)其在不同條件下的摩擦學(xué)行為和磨損機(jī)理等均需深入研究。通過纖維增強(qiáng)、顆粒填充、高聚物共混等改性方法制備的聚醚醚酮復(fù)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(shí)，其摩擦性能更加優(yōu)越。但同時(shí)，由于影響聚醚醚酮摩擦性能的因素很多，因此對(duì)多種因素共同作用下聚醚醚酮復(fù)合材料磨損機(jī)理的研究是一項(xiàng)非常重要的課題。伴隨耐磨聚醚醚酮復(fù)合材料性能的不斷增加，其應(yīng)用前景將越來越廣闊。

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