PTFE微粉改性聚醚醚酮摩擦磨損性能及應(yīng)用研究

王文東 袁周鋼

（1.上海材料研究所，上海 200437；2.上海市工程材料應(yīng)用評價重點實驗室，上海 200437）

0 前言

聚醚醚酮（PEEK）高分子鏈中含有大量的苯環(huán)，耐熱性能好，長期使用溫度可達(dá)250 ℃；PEEK的分子鏈含有醚鍵和羰基又為材料提供了柔韌性和優(yōu)良的工藝性能，可以采用注射、擠出和模壓成型以及切削加工；PEEK具有機(jī)械強度高、高韌性、耐磨損、耐蝕性等優(yōu)異性能［1］。聚醚醚酮及其復(fù)合材料在醫(yī)療衛(wèi)生、食品機(jī)械、汽車制造、石油化學(xué)、航空航天、電子電氣等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。但是，由于純聚醚醚酮材料的摩擦因數(shù)比較高，導(dǎo)熱性能比較差，運行摩擦?xí)r產(chǎn)生的熱量不能快速及時導(dǎo)出，容易失效變形［2-4］，所以為滿足特種工況苛刻服役條件的要求，碳纖維等改性聚醚醚酮復(fù)合材料的應(yīng)用研究日益得到人們的重視。聚四氟乙烯(PTFE)具有良好的自潤滑性能，聚四氟乙烯及其復(fù)合材料摩擦磨損性能優(yōu)良，通用聚四氟乙烯樹脂粉末用于各種高分子樹脂基體中作為固體潤滑劑，應(yīng)用廣泛［5-6］，但是通用聚四氟乙烯樹脂粉末在其他高分子樹脂基體中不易分散，聚四氟乙烯微粉分子質(zhì)量是通用聚四氟乙烯的百分之一，其分子質(zhì)量為3萬～20萬，粒徑較小并且均勻，更加容易于分散［7］。研究了聚四氟乙烯微粉和碳纖維改性的聚醚醚酮復(fù)合材料的摩擦磨損性能及其應(yīng)用。

1 試驗部分

1.1 試驗材料

聚醚醚酮，牌號為770PF，吉林省中研高性能工程塑料有限公司；碳纖維(CF)，牌號為YHPCD-I3000，平均單絲直徑7 μm ,長徑比10 ：1，青島遠(yuǎn)輝復(fù)合材料有限公司；聚四氟乙烯微粉，牌號為DB401A，平均粒徑12 μm ,上?？等鹚够び邢薰荆欢蚧f（MoS2），牌號為MF-1，平均粒徑5μm ,上海華誼集團(tuán)華原化工有限公司。

1.2 試驗方法

將聚醚醚酮、聚四氟乙烯微粉和碳纖維、二硫化鉬等通過常溫機(jī)械共混，將其混合均勻后，采用專用模具在壓力機(jī)上經(jīng)過高溫壓力成型，二次定型后處理，經(jīng)機(jī)加工制得試樣。二硫化鉬定量，聚四氟乙烯微粉含量分別為0、5、10、15、20、40質(zhì)量份，配制復(fù)合材料；在試驗基礎(chǔ)上，二硫化鉬和聚四氟乙烯微粉定量，碳纖維含量分別為0、5、10、15、20質(zhì)量份，配制PEEK復(fù)合材料。

壓縮試驗按照GB/T1041—1992/2008《塑料壓縮性能的測定試驗方法》進(jìn)行，摩擦磨損試驗按照GB/T3960—2016《塑料滑動摩擦磨損試驗方法》進(jìn)行。采用Amsler摩擦磨損試驗機(jī)進(jìn)行環(huán)－塊式滑動摩擦磨損試驗，旋轉(zhuǎn)的圓環(huán)與PEEK復(fù)合材料試樣塊組成摩擦副，試樣的尺寸為30 mm×7 mm×6 mm，工作面尺寸為30 mm×7 mm，用磨床加工試樣工作面，保證表面平整度與粗糙度。摩擦副為42CrMo，硬度HRC50～55，表面粗糙度Ra為0.4 μm ，其尺寸為Φ40 mm×Φ16 mm×10 mm，表面同樣用磨床加工，試樣和鋼輪均用酒精清洗，晾干后使用。試驗條件為：載荷245 N，圓環(huán)轉(zhuǎn)速0.42 m/s，試驗時間2 h，試驗環(huán)境溫度為23 ℃左右，相對濕度60%左右。干摩擦：無潤滑介質(zhì);油潤滑：試樣浸入L-HM46抗磨液壓油中。試驗結(jié)束后，磨損表面噴金，采用VEGA3XMU型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察摩擦試樣磨損后的表面形貌。

2 結(jié)果與討論

2.1 壓縮強度

圖1為聚四氟乙烯微粉含量對復(fù)合材料壓縮強度的影響。由圖1可見，PTFE微粉和二硫化鉬改性PEEK復(fù)合材料中，隨著PTFE微粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，PEEK復(fù)合材料的壓縮強度呈下降趨勢。由于PTFE微粉本身剛性較低，具有較低的承受載荷能力［4］，因此，PEEK復(fù)合材料相應(yīng)的壓縮強度較低。當(dāng)PTFE微粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過10%時，承載性能較低的PTFE微粉對PEEK復(fù)合材料的壓縮強度影響逐漸起主導(dǎo)作用，PEEK復(fù)合材料的壓縮強度下降趨勢顯著;當(dāng)PTFE微粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%時，PTFE微粉對PEEK復(fù)合材料的壓縮強度影響更為顯著，PEEK復(fù)合材料的壓縮強度很低，下降至60 MPa。

圖1 聚四氟乙烯微粉含量對復(fù)合材料壓縮強度的影響

圖2為碳纖維含量對復(fù)合材料壓縮強度的影響。由圖2可見，碳纖維、PTFE微粉和二硫化鉬改性PEEK復(fù)合材料中，隨著碳纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，PEEK復(fù)合材料的壓縮強度呈上升趨勢；碳纖維填充PEEK屬于纖維增強，由于碳纖維本身具有較好的剛性和極高的抗壓縮性能，具備較高的承受載荷能力，因此，PEEK復(fù)合材料的壓縮強度提高。

圖2 碳纖維含量對復(fù)合材料壓縮強度的影響

2.2 摩擦磨損性能

2.2.1 摩擦因數(shù)

圖3為聚四氟乙烯微粉含量對復(fù)合材料干摩擦因數(shù)的影響。由圖3可見，PTFE微粉和二硫化鉬改性PEEK復(fù)合材料中，隨著聚PTFE微粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加， PEEK復(fù)合材料干摩擦因數(shù)逐漸下降，當(dāng)PTFE微粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過10%時，摩擦因數(shù)下降幅度較大。其原因是：PTFE微粉微觀結(jié)構(gòu)是多層片狀結(jié)構(gòu)，摩擦?xí)r有利于形成均勻穩(wěn)定的轉(zhuǎn)移膜［6］，改善了PEEK復(fù)合材料的抗粘著性能，固體潤滑劑二硫化鉬（MoS2）和PTFE微粉產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，因此，PEEK復(fù)合材料干摩擦因數(shù)大幅度下降。當(dāng)PTFE微粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%時，PEEK復(fù)合材料干摩擦因數(shù)下降至0.21。

圖3聚四氟乙烯微粉含量對復(fù)合材料干摩擦系數(shù)的影響

圖4 為碳纖維含量對復(fù)合材料干摩擦系數(shù)的影響。由圖4可見，碳纖維、PTFE微粉和二硫化鉬改性PEEK復(fù)合材料中，隨著碳纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，PEEK復(fù)合材料干摩擦因數(shù)逐漸下降，其原因是：碳纖維是硬質(zhì)剛性材料，提高了PEEK復(fù)合材料的耐壓性能和抗蠕變性能，阻止了摩擦面上固體潤滑膜破壞，與固體潤滑劑二硫化鉬和PTFE微粉產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，有利于形成均勻穩(wěn)定的轉(zhuǎn)移膜，因此，PEEK復(fù)合材料干摩擦因數(shù)逐漸下降。

圖4 碳纖維含量對復(fù)合材料干摩擦系數(shù)的影響

根據(jù)聚四氟乙烯微粉和碳纖維填充改性PEEK復(fù)合材料的壓縮強度及干摩擦磨損情況，考慮實際應(yīng)用情況，僅對碳纖維、PTFE微粉和二硫化鉬填充改性PEEK復(fù)合材料進(jìn)行油潤滑摩擦磨損性能測試。圖5為碳纖維含量對復(fù)合材料油摩擦系數(shù)的影響。由圖5可見，隨著碳纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，PEEK復(fù)合材料在油潤滑條件下摩擦因數(shù)略有下降，差異不大，其原因是：在油的作用下有利于形成均勻穩(wěn)定的潤滑油膜，因此，PEEK復(fù)合材料油摩擦因數(shù)較小。

圖5 碳纖維含量對復(fù)合材料油摩擦系數(shù)的影響

2.2.2 磨痕寬度

表1為聚醚醚酮復(fù)合材料磨痕寬度。由表1可見，PTFE微粉和二硫化鉬改性PEEK復(fù)合材料中，隨著PTFE微粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，PEEK復(fù)合材料干摩擦磨痕寬度逐漸減小，當(dāng)PTFE微粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%時，其干摩擦磨痕寬度略有增加。其原因是：隨著低摩擦因數(shù)PTFE微粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，一方面在摩擦表面容易形成穩(wěn)定的轉(zhuǎn)移膜，另一方面PEEK復(fù)合材料的承受載荷能力逐漸下降。當(dāng)PTFE微粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%時， PEEK復(fù)合材料的壓縮強度60 MPa，與無PTFE微粉時相比較下降了59.73%，因此，PEEK復(fù)合材料干摩擦磨痕寬度逐漸減小。PTFE微粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%時，其干摩擦磨痕寬度略有增加。

由表1還可見，碳纖維、PTFE微粉和二硫化鉬改性PEEK復(fù)合材料中，隨著碳纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加， PEEK復(fù)合材料干摩擦磨痕寬度逐漸減小。其原因是：硬質(zhì)的碳纖維的加入提高了基體的承載能力［2-4］，阻止了摩擦面上固體潤滑膜破壞，有利于形成穩(wěn)定的轉(zhuǎn)移膜，提高了復(fù)合材料的抗粘著能力，因此，PEEK復(fù)合材料磨痕寬度逐漸減小。

表1 不同填充劑添加量的聚醚醚酮復(fù)合材料的磨痕寬度mm

另由表1可見，碳纖維、PTFE微粉和二硫化鉬改性PEEK復(fù)合材料中，隨著碳纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加， PEEK復(fù)合材料在油潤滑條件下摩擦磨痕寬度較低并略有下降。其原因是：在油的作用下有利于形成均勻穩(wěn)定的轉(zhuǎn)移膜和潤滑油膜，潤滑油可將摩擦?xí)r產(chǎn)生的熱量快速及時導(dǎo)出摩擦面［4］，防止了粘著磨損的產(chǎn)生，因此，PEEK復(fù)合材料磨痕寬度降低。

2.3 磨損形貌

在干摩擦?xí)r，PTFE微粉和二硫化鉬改性PEEK復(fù)合材料與42CrMo金屬環(huán)形成摩擦副，圖6為高含量聚四氟乙烯微粉復(fù)合材料干摩擦后的表面形貌。由圖6（a）可見片狀PTFE微細(xì)磨屑伴有犁溝。圖6（b）為PEEK復(fù)合材料未磨損面，復(fù)合材料表面可見大量片狀聚四氟乙烯微粉。PEEK復(fù)合材料在微犁削磨損、磨粒磨損等共同作用下以磨粒磨損為主，伴有疲勞磨損。

圖6 高含量聚四氟乙烯微粉復(fù)合材料干摩擦后的表面形貌

在干摩擦?xí)r，碳纖維、PTFE微粉和二硫化鉬改性PEEK復(fù)合材料與42CrMo金屬環(huán)形成摩擦副，圖7為高含量碳纖維復(fù)合材料干摩擦后的表面形貌。由圖7（a），可見片狀PTFE微細(xì)磨屑和碳纖維，并伴有犁溝和碳纖維脫落后的孔洞，碳纖維暴露于表面。圖7（b）為PEEK復(fù)合材料未磨損面，復(fù)合材料表面可見片狀聚四氟乙烯微粉，碳纖維在復(fù)合材料表面呈密集分布。PEEK復(fù)合材料在微犁削磨損、磨粒磨損等共同作用下以磨粒磨損為主，伴有疲勞磨損。

圖7 高含量碳纖維復(fù)合材料干摩擦后的表面形貌

在油潤滑時，碳纖維、PTFE微粉和二硫化鉬改性PEEK復(fù)合材料與42CrMo金屬環(huán)形成摩擦副，圖8為高含量碳纖維復(fù)合材料油潤滑摩擦后的表面形貌。由圖8（a）和8（b）可見，復(fù)合材料表面光滑，可見片狀聚四氟乙烯，摩擦表面片狀PTFE均勻分布，碳纖維僅有少量可見，高倍的SEM形貌可見碳纖維分布于基體中，未暴露于摩擦表面。

圖8 高含量碳纖維復(fù)合材料油潤滑摩擦后的表面形貌

3 應(yīng)用

碳纖維、PTFE微粉和二硫化鉬改性PEEK復(fù)合材料具有較高的壓縮強度，與金屬對磨時干摩擦因數(shù)和磨損量較低，油潤滑時摩擦因數(shù)和磨損量低，可以制作各種滑動軸承、密封圈等特種機(jī)械零部件。圖9（a）為某大型鋼鐵企業(yè)的生產(chǎn)線高溫重載機(jī)械設(shè)備的滑動軸承改造前的照片，采用了特種石墨和金屬復(fù)合，運行過程中產(chǎn)生了磨屑和銹蝕，摩擦阻力增大，影響生產(chǎn)線正常運行。經(jīng)過對滑動軸承載荷、溫度等服役條件分析，采用碳纖維、PTFE微粉和二硫化鉬改性PEEK復(fù)合材料匹配韌性陶瓷材料制作了滑動軸承，見圖9（b），生產(chǎn)線連續(xù)正常運行1年無需維護(hù)，滿足了大型鋼鐵企業(yè)技術(shù)要求。

圖9 PEEK復(fù)合材料滑動軸承

碳纖維、PTFE微粉和二硫化鉬改性PEEK復(fù)合材料用于某石油鉆采設(shè)備壓力井控系統(tǒng)，采用PEEK復(fù)合材料匹配不銹鋼U型彈簧和橡膠O型圈制作主密封，見圖10（a），可以密封100~150 MPa油、水和泥漿；采用PEEK復(fù)合材料匹配橡膠O型圈制作主防塵圈；見圖10（b），兩種密封形成密封系統(tǒng)，在200 ℃以下安全服役，壽命長久。

圖10 PEEK復(fù)合材料密封

4 結(jié)論

1)隨著聚PTFE微粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，PTFE微粉和二硫化鉬改性PEEK復(fù)合材料的壓縮強度呈下降趨勢，當(dāng)PTFE微粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%時，其壓縮強度下降至60MPa。隨著聚碳纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，碳纖維、PTFE微粉和二硫化鉬改性PEEK復(fù)合材料的壓縮強度呈上升趨勢。

2)隨著聚PTFE微粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，PTFE微粉和二硫化鉬改性PEEK復(fù)合材料的干摩擦因數(shù)和磨痕寬度逐漸下降，當(dāng)PTFE微粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%時，PEEK復(fù)合材料干摩擦因數(shù)下降至0.21，其干摩擦磨痕寬度略有上升。隨著聚碳纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，碳纖維、PTFE微粉和二硫化鉬改性PEEK復(fù)合材料的干摩擦因數(shù)和磨痕寬度逐漸下降。

3)隨著碳纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，碳纖維、PTFE微粉和二硫化鉬改性PEEK復(fù)合材料在油潤滑條件下摩擦因數(shù)略有下降，差異不大，其磨痕寬度較低并略有下降。

4)碳纖維、PTFE微粉和二硫化鉬改性PEEK復(fù)合材料在干摩擦條件下的磨損機(jī)制以磨粒磨損為主，伴有疲勞磨損；在油潤滑時，摩擦面可形成穩(wěn)定連續(xù)的潤滑膜而保持光滑。

5)碳纖維、PTFE微粉和二硫化鉬改性PEEK復(fù)合材料具有較高的壓縮強度，摩擦磨損性能良好，可以制作各種滑動軸承、密封圈等特種機(jī)械零部件。