基于冷壓燒結(jié)成型的PTFE/PEEK 復(fù)合材料摩擦學(xué)及力學(xué)性能研究

夏 炎，王孝剛，徐 輝

（南京肯特復(fù)合材料股份有限公司，江蘇南京211162）

0 引言

聚四氟乙烯（PTFE）具有摩擦系數(shù)低、使用溫度區(qū)間寬、耐化性優(yōu)異、表面能極低等特點(diǎn)，在摩擦磨損及密封領(lǐng)域占有十分重要的地位。但純PTFE耐磨性差、硬度低、高溫機(jī)械強(qiáng)度損失較大，限制了其在運(yùn)動(dòng)組件、機(jī)械承載密封等領(lǐng)域的應(yīng)用。目前，人們通常采用填充及復(fù)合的方法改善其缺點(diǎn)。常用的填料可分為無機(jī)物、有機(jī)物、金屬及金屬氧化物三類。部分無機(jī)填料、金屬及金屬氧化物改性的PTFE復(fù)合材料在作為動(dòng)密封材料時(shí)容易損傷對(duì)偶，且存在比重大、機(jī)加工性能差、耐化性下降等缺點(diǎn)。因此，研究者開發(fā)了一系列耐高溫的芳雜環(huán)聚合物如聚苯酯（POB）、聚苯硫醚（PPS）、聚酰亞胺（PI）、聚醚醚酮（PEEK）和芳綸（AF）等填充改性的PTFE復(fù)合材料［1-2］。

PEEK具有優(yōu)良的綜合性能，研究多集中使用PTFE作為固體潤(rùn)滑劑改善PEEK/PTFE復(fù)合材料的摩擦性能［3-4］。Briscoe等［5］在研究PTFE改性PEEK的過程中，表示20%PEEK/80%PTFE的復(fù)合材料可能會(huì)有特殊的性能，但由于制備方法限制，未能進(jìn)行深入研究。Sawyer等［6-7］采用熱壓熔融加工方法成型PTFE/PEEK復(fù)合材料，其中PEEK粉末平均粒徑僅5μm，研究發(fā)現(xiàn)PEEK的加入沒有提高PTFE/PEEK復(fù)合材料的摩擦系數(shù)，在PEEK添加量為50%wt獲得了最低的摩擦系數(shù)及磨損量，甚至低于純PTFE的摩擦系數(shù)。葉素娟等［8］研究可熔融性聚四氟乙烯PFA復(fù)合材料時(shí)，發(fā)現(xiàn)碳纖的加入可以防止摩擦副對(duì)基體的刨削，摩擦后的表面較為平整，采用碳纖維改性的PFA密封圈比傳統(tǒng)模壓的PTFE密封圈的泄漏量少，具有更好的密封效果。本論文通過機(jī)械共混、冷壓燒結(jié)獲得了不同組分配比的PTFE/PEEK復(fù)合材料，系統(tǒng)研究了PEEK含量對(duì)PTFE/PEEK復(fù)合材料力學(xué)性能及摩擦性能的影響。隨后初步探究了CF的加入對(duì)PTFE/PEEK復(fù)合材料摩擦性能的影響，后期的深入研究還在進(jìn)行。該復(fù)合材料體系在高鐵及汽車制動(dòng)類運(yùn)動(dòng)組件的襯套類產(chǎn)品中具有良好的應(yīng)用前景。

1 研究方法

1.1 主要原材料及復(fù)合材料的制備

PTFE懸浮細(xì)粉，密度為2.16 g/cm3，平均粒徑25μm，山東東岳公司，牌號(hào)為DF-161；PEEK細(xì)粉，平均粒徑70μm，密度為1.30 g/cm3，吉林中研公司，牌號(hào)為770PF；碳纖，單絲直徑7μm，長(zhǎng)徑比5～10，青島遠(yuǎn)輝復(fù)合材料有限公司。

將PTFE懸浮細(xì)粉和PEEK細(xì)粉按比例稱量后，利用刀片式混合機(jī)進(jìn)行混合，將混合物過篩后加入相應(yīng)的不銹鋼模具，采用浮動(dòng)模壓成型獲得試樣毛坯，壓力50 MPa，保壓時(shí)間3 min。再在370℃的溫度下進(jìn)行自由燒結(jié)，燒結(jié)后試樣毛坯尺寸為φ70 mm×50 mm，毛坯經(jīng)機(jī)加工獲得測(cè)試塊。

考慮到聚合物基體對(duì)填料的包絡(luò)能力有限，因此以PEEK質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%為梯度增加至30%進(jìn)行復(fù)配，在超過30%部分以5%為梯度進(jìn)行復(fù)配。由于PEEK粒徑較大，當(dāng)PEEK質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過40%后由于采用冷壓燒結(jié)成型較難，未進(jìn)行相關(guān)性能研究。

1.2 性能測(cè)試

密度測(cè)試方法按ASTM D792—2013中的排水法進(jìn)行，在試驗(yàn)毛坯上隨機(jī)加工5個(gè)試塊，試塊重量≥10 g，水溫保持23±1℃，試驗(yàn)前用無水乙醇擦拭試塊表面。

拉伸性能及壓縮性能利用美斯特工業(yè)系統(tǒng)（中國(guó)）有限公司生產(chǎn)的CMT5105型微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行評(píng)價(jià)，拉伸試驗(yàn)方法按ASTM D4745，拉伸速率為50 mm/min；壓縮試驗(yàn)方法按ASTM D695，壓縮速度1.3 mm/min。

摩擦磨損試驗(yàn)以GB/T3960—2016為依據(jù)，采用MMS-2A型微機(jī)控制摩擦磨損實(shí)驗(yàn)機(jī)，摩擦磨損試樣尺寸為30 mm×6 mm×7 mm，對(duì)偶件選用直徑為40 mm的45#鋼環(huán)，并在試驗(yàn)前用1 200目金相砂紙打磨。試驗(yàn)條件為正載荷196 N，摩擦力矩5 N·m，轉(zhuǎn)速200 r/min，測(cè)試時(shí)間120 min，干摩擦，室溫23±2℃。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)取每組3個(gè)試樣的平均值。整個(gè)測(cè)試過程中的摩擦系數(shù)由摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)記錄，比磨損率W表示材料的耐磨性，單位為mm3/（N·m）。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后采用FESEM進(jìn)行試樣磨損面的觀察，采用光學(xué)顯微鏡觀察對(duì)偶鋼環(huán)表面的轉(zhuǎn)移膜，結(jié)合測(cè)試結(jié)果進(jìn)行磨損機(jī)制的分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 拉伸及壓縮性能分析

從圖1（a）可以看出，隨著PEEK填充量增加至30%，PTFE/PEEK復(fù)合材料的拉伸性能呈現(xiàn)明顯的下降趨勢(shì)。當(dāng)填充量由30%繼續(xù)增加至40%，斷裂伸長(zhǎng)率變化不大，拉伸強(qiáng)度反而增加。這是因?yàn)镻EEK填充量超過30%，材料拉伸呈現(xiàn)脆性斷裂，由于PEEK含量增加，分散在基體樹脂中的PEEK細(xì)粉在燒結(jié)過程溫度下可能會(huì)產(chǎn)生熔接作用，使拉伸強(qiáng)度增加。隨PEEK含量的增加，PTFE/PEEK復(fù)合材料的壓縮強(qiáng)度及壓縮模量都呈現(xiàn)出增長(zhǎng)趨勢(shì)，而復(fù)合材料的壓縮模量增長(zhǎng)較明顯，有利于運(yùn)動(dòng)摩擦組件在載荷下的工作，如圖1（b）所示。

2.2 摩擦學(xué)性能分析

圖1 PEEK含量對(duì)PTFE/PEEK復(fù)合材料力學(xué)性能的影響

圖2 材料磨損表面SEM照片

圖3 PEEK含量對(duì)PTFE/PEEK復(fù)合材料摩擦性能的影響

由圖2可知，純PTFE的磨損形式為黏著磨損、磨粒磨損與疲勞磨損的綜合，而PTFE/CF復(fù)合材料幾乎沒有犁溝。隨著PEEK質(zhì)量分?jǐn)?shù)由0%增加至35%時(shí)，PTFE/PEEK復(fù)合材料的摩擦系數(shù)呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，當(dāng)PEEK質(zhì)量分?jǐn)?shù)為35%，平均滑動(dòng)摩擦系數(shù)為0.144，如圖3所示。而繼續(xù)增加PEEK含量至40%，PTFE/PEEK復(fù)合材料的摩擦系數(shù)反而增加，且磨痕變寬。對(duì)比圖2和圖4，PEEK的加入減輕了材料的黏著磨損，表現(xiàn)為磨粒磨損與疲勞磨損為主。PEEK含量增加，剝層現(xiàn)象減輕，磨損面較為光滑、平整，且有PEEK顆粒熔接的現(xiàn)象出現(xiàn)。PEEK含量超過35%，形成的成片PEEK區(qū)域限制了PTFE轉(zhuǎn)移膜的形成，可能是摩擦系數(shù)升高的原因。

圖4 PTFE/PEEK復(fù)合材料磨損表面SEM照片

圖5 CF的含量對(duì)（PTFE+35%PEEK）/CF復(fù)合材料摩擦性能的影響

圖6 摩擦轉(zhuǎn)移膜光學(xué)顯微圖

在PTFE/PEEK（35%wt）復(fù)合材料中隨CF含量增加，復(fù)合材料摩擦系數(shù)的摩擦系數(shù)降低，當(dāng)CF含量小于5%時(shí)，磨痕寬度最低，而當(dāng)CF含量繼續(xù)增加，磨痕寬度反而增加，如圖6所示。在滑動(dòng)摩擦條件下，聚合物及其復(fù)合材料的摩擦學(xué)性能在很大程度上取決于聚合物在對(duì)偶件上形成轉(zhuǎn)移膜的能力［9］。對(duì)偶件上的摩擦轉(zhuǎn)移膜進(jìn)行了對(duì)比，由圖6中的結(jié)果可知，PTFE/PEEK（35%wt）復(fù)合材料生成了連續(xù)均勻的轉(zhuǎn)移膜，而CF加入后的轉(zhuǎn)移膜連續(xù)性變差。

3 結(jié)語

（1）當(dāng)PEEK質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過30%，材料的拉伸呈現(xiàn)脆性斷裂，PEEK在燒結(jié)過程中顆粒間會(huì)出現(xiàn)部分熔接，增加脆性斷裂時(shí)的強(qiáng)度。

（2）純PTFE的磨損形式為黏著磨損、磨粒磨損與疲勞磨損的綜合，PEEK的加入減輕了材料的黏著磨損，表現(xiàn)為磨粒磨損與疲勞磨損為主。

（3）CF加入后破壞了對(duì)偶件上的摩擦轉(zhuǎn)移膜，可能是造成摩擦系數(shù)和磨痕寬度的增加的原因，對(duì)該復(fù)合材料體系的研究和優(yōu)化還在進(jìn)行當(dāng)中。