模擬礦井環(huán)境下的PEEK/SiO2/CF-MoS2復(fù)合材料摩擦行為研究*

馮存傲 陶若蘭 余振洋 陳 凱 張德坤

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)材料與物理學(xué)院 江蘇徐州 221116；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 江蘇徐州 221116；3.佛山市順德區(qū)震德塑料機(jī)械有限公司 廣東佛山 528000)

礦井提升容器(罐籠、箕斗、平衡錘)作為用于提升物料和升降人員的機(jī)械設(shè)備，其安全性和可靠性受到越來(lái)越多的關(guān)注[1-5]。滾輪罐耳是礦井提升容器導(dǎo)向和緩沖的重要零部件，其性能直接影響到提升容器的運(yùn)行狀態(tài)[6-9]。目前常見(jiàn)的滾輪罐耳多以橡膠、聚氨酯材料制成，雖然具有較好的緩沖和耐腐蝕性能，但在惡劣的礦井工況下摩擦學(xué)性能欠佳，造成使用壽命較短。因此，為了改善滾輪罐耳的耐磨性和使用壽命，保障礦井提升容器的安全性，必須尋找一種新型耐磨材料。

聚醚醚酮(PEEK)是一種具有輕質(zhì)化、機(jī)械強(qiáng)度高、耐酸堿、易加工等優(yōu)異性能的特種工程塑料[10-12]，近年來(lái)，被廣泛地應(yīng)用于航空航天、汽車(chē)制造、醫(yī)療器械等領(lǐng)域[13-15]。如張?jiān)雒偷萚16]制備了PEEK/PTFE/石墨/CF復(fù)合材料，研究了316L不銹鋼與PEEK/PTFE/石墨/CF組成的摩擦副在水潤(rùn)滑條件下的摩擦學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)316L-PEEK/PTFE/石墨/CF摩擦副的摩擦學(xué)性能優(yōu)異，適合作為水液壓泵/馬達(dá)的關(guān)鍵摩擦副材料。劉后寶等[17]以納米SiO2、PTFE和碳纖維為增強(qiáng)材料制備了PEEK基耐磨材料，研究表明，當(dāng)PEEK/CF/納米SiO2/PTFE的質(zhì)量比為65∶15∶5∶15時(shí)，PEEK基復(fù)合材料的摩擦因數(shù)最低，耐磨性能優(yōu)異，適合作為高鐵制動(dòng)系統(tǒng)執(zhí)行部件中渦旋式壓縮機(jī)的活塞環(huán)材料。

為解決滾輪罐耳在礦井環(huán)境下摩擦學(xué)性能較差的問(wèn)題，本文作者選用納米SiO2、MoS2和短切碳纖維(CF)為增強(qiáng)填料制備了PEEK/SiO2/CF-MoS2耐磨復(fù)合材料，在模擬礦井環(huán)境下，研究其在不同工況條件下的摩擦學(xué)性能，分析了磨損形貌、磨損機(jī)制和填料之間的協(xié)同作用，并與礦井常用的聚氨酯材料進(jìn)行了摩擦學(xué)性能對(duì)比，以期PEEK復(fù)合材料能替代傳統(tǒng)橡膠、聚氨酯材料制備出輕質(zhì)、高強(qiáng)、耐磨的滾輪罐耳。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)原料

試驗(yàn)所用到的原料主要有PEEK、納米SiO2、MoS2和CF；試劑主要有硫脲(CSN2H4)和四水合鉬酸銨((NH4)6Mo7O24·4H2O)，型號(hào)及廠家如表1所示。

表1 主要試驗(yàn)原料及試劑

1.2 試樣制備

將適量的納米SiO2和硅烷偶聯(lián)劑KH-560在常溫下分散在50 mL乙醇溶液中，加入適量的去離子水，超聲分散3 h，接枝反應(yīng)完成后，干燥6 h，研磨后備用[18-19]。將一定量的CSN2H4、(NH4)6Mo7O24·4H2O和15 g碳纖維加入到100 mL去離子水中，超聲分散30 min，以獲得混合均勻的碳纖維混合液[20]。隨后將混合溶液倒入容量為200 mL反應(yīng)釜中，密封完畢后，放到230 ℃烘箱中恒溫24 h，經(jīng)離心、清洗后，在100 ℃下干燥24 h[21]，獲得改性成功的填料CF-MoS2。按不同配比分別將基體(PEEK粉)和填料(納米SiO2、MoS2、CF和CF-MoS2)放入行星式球磨機(jī)中混料180 min，轉(zhuǎn)速為500 r/min，以獲得混合均勻的共混粉末。共混粉末分為三組，第一組為純PEEK，第二組為PEEK/SiO2/MoS2/CF共混復(fù)合材料，第三組為在碳纖維表面生成MoS2的PEEK/SiO2/CF-MoS2共混復(fù)合材料，各組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)見(jiàn)表2。隨后采用精密微量注塑機(jī)對(duì)混合粉末進(jìn)行注塑成型，其中注塑機(jī)加熱1區(qū)、加熱2區(qū)、加熱3區(qū)和模溫分別為380、380、390和190 ℃，噴頭溫度百分比為75%，螺桿轉(zhuǎn)速為70 r/min。最后將成型后的樣品放入270 ℃馬弗爐中退火120 min，隨爐冷卻。

表2 PEEK及其復(fù)合材料成分配比 單位：%

1.3 力學(xué)性能測(cè)試

按照GB/T 1040.1—2006對(duì)PEEK復(fù)合材料進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，拉伸速度為2 mm/min。每組試樣至少進(jìn)行5次平行試驗(yàn)，取平均值。采用邵氏D型硬度計(jì)參照GB/T 2411—2008測(cè)定壓痕硬度(邵氏硬度)，在同一個(gè)試樣上每隔6 mm測(cè)試5個(gè)點(diǎn)，硬度為多組測(cè)試數(shù)據(jù)的平均值。

1.4 摩擦磨損測(cè)試

采用M-2000A型摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)按照GB/T 3960—2016對(duì)PEEK復(fù)合材料進(jìn)行摩擦學(xué)性能評(píng)價(jià)。在室溫條件下分別研究了PEEK復(fù)合材料在不同工況條件下的滑動(dòng)摩擦磨損行為，具體試驗(yàn)參數(shù)如表3所示。其中，下試樣為45鋼環(huán)，上試樣為PEEK復(fù)合材料。下試樣以轉(zhuǎn)速200 r/min旋轉(zhuǎn)，上試樣固定不動(dòng)，上下試樣的配副形式和尺寸如圖1所示。

表3 PEEK復(fù)合材料滑動(dòng)及滾動(dòng)摩擦磨損試驗(yàn)條件

圖1 滑動(dòng)摩擦鋼環(huán)與試樣配副形式及尺寸

在室溫條件下還分別研究了PEEK復(fù)合材料在不同工況條件下的滾動(dòng)摩擦磨損行為，具體試驗(yàn)參數(shù)如表3所示。在滾動(dòng)過(guò)程中，通過(guò)導(dǎo)管將水滴淋在兩環(huán)的摩擦接觸區(qū)域，從而模擬水潤(rùn)滑工況，利用點(diǎn)滴器控制水滴的速度，按照30 滴/min將水滴淋在摩擦接觸的部位；將裝有煤泥漏斗容器裝到試驗(yàn)機(jī)上，通過(guò)擠壓將煤泥按照5 g/min速度添加到摩擦接觸的部位，從而模擬煤泥工況環(huán)境。上下試樣的配副形式和尺寸如圖2所示。其中，鋼環(huán)為下試樣，轉(zhuǎn)速為200 r/min；PEEK復(fù)合材料環(huán)為上試樣，轉(zhuǎn)速為180 r/min，依靠鋼環(huán)與復(fù)合材料之間的摩擦力傳動(dòng)，滑滾比為0.105，為“滑-滾”復(fù)合運(yùn)動(dòng)，為了方便計(jì)算，后續(xù)統(tǒng)稱為“滾動(dòng)”。

圖2 滾動(dòng)摩擦鋼環(huán)與試樣配副形式及尺寸

試驗(yàn)結(jié)束后，通過(guò)下式來(lái)計(jì)算磨損率K：

(1)

式中：Δm表示試樣在試驗(yàn)前后的質(zhì)量差(g);ρ表示試樣的密度(g/mm3);Fn表示施加載荷(N);L表示滑動(dòng)距離(m)。

同一組試樣至少進(jìn)行3組平行試驗(yàn)，取平均值。試驗(yàn)后，采用高速相機(jī)的拍攝功能和掃描電子顯微鏡(SEM)對(duì)PEEK復(fù)合材料磨損表面進(jìn)行觀察分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 PEEK復(fù)合材料力學(xué)性能對(duì)比

圖3所示為純PEEK及CF改性前后PEEK復(fù)合材料拉伸曲線?？梢钥闯觯働EEK材料具有良好的韌性，延展性較大；PEEK/SiO2/MoS2/CF和PEEK/SiO2/CF-MoS2復(fù)合材料韌性較差，延展性較小，但CF經(jīng)改性后PEEK復(fù)合材料的強(qiáng)度明顯提高。

圖3 純PEEK及CF改性前后PEEK復(fù)合材料拉伸曲線

圖4所示為PEEK復(fù)合材料的彈性模量和抗拉強(qiáng)度?？梢?jiàn)，PEEK/SiO2/CF-MoS2復(fù)合材料的彈性模量和抗拉強(qiáng)度均為最高，其中彈性模量為4 210.5 MPa，抗拉強(qiáng)度為127.25 MPa，與純PEEK相比，分別提升了87.59%和37.85%；與PEEK/SiO2/MoS2/CF復(fù)合材料相比，分別提升了14.54%和21.19%。這表明CF經(jīng)水熱法原位生成MoS2改性，確實(shí)可以有效增強(qiáng)PEEK復(fù)合材料的力學(xué)性能。

圖4 純PEEK及CF改性前后PEEK復(fù)合材料彈性模量和抗拉強(qiáng)度

分析認(rèn)為，如圖5所示，CF經(jīng)水熱法改性后，表面變得粗糙不平，存在大量的溝槽和孔洞，PEEK基體與改性CF結(jié)合時(shí)，接觸面積變大，并且兩者之間形成“榫卯結(jié)構(gòu)”，結(jié)合力進(jìn)一步得到增強(qiáng)；同時(shí)CF可以有效承載和傳遞PEEK復(fù)合材料所受到的應(yīng)力，從而PEEK/SiO2/CF-MoS2復(fù)合材料表現(xiàn)出較為優(yōu)異的力學(xué)性能[22]。

圖5 PEEK復(fù)合材料拉伸斷面微觀形貌

2.2 不同接觸載荷下PEEK復(fù)合材料滑動(dòng)與滾動(dòng)摩擦行為研究

圖6所示為PEEK復(fù)合材料在不同接觸載荷下干摩擦滑動(dòng)120 min的摩擦因數(shù)曲線。可以看出，PEEK/SiO2/CF-MoS2復(fù)合材料的摩擦因數(shù)曲線隨施加載荷的變化，波動(dòng)較小，而純PEEK的摩擦因數(shù)曲線隨著載荷的升高曲線波動(dòng)較大。

圖6 純PEEK及其復(fù)合材料在不同載荷下的滑動(dòng)摩擦因數(shù)曲線

圖7所示為PEEK復(fù)合材料在不同接觸載荷下干摩擦滑動(dòng)120 min的摩擦因數(shù)和磨損率。由圖7(a)可以看出，在不同載荷條件下，PEEK/SiO2/CF-MoS2復(fù)合材料的摩擦因數(shù)均為最低，分別為0.236和0.202，與純PEEK相比，分別降低了32.38%和31.06%；與PEEK/SiO2/MoS2/CF復(fù)合材料相比，分別降低了0.8%和10.62%。由圖7(b)可以得出，PEEK/SiO2/CF-MoS2復(fù)合材料的磨損率也均是最低，在施加載荷為200 N時(shí)，磨損率為1.28×10-6mm3/(N·m)；在載荷為400 N時(shí)，磨損率為2.99×10-6mm3/(N·m)。與純PEEK相比，分別降低了74.09%和62.67%；與PEEK/SiO2/MoS2/CF復(fù)合材料相比，分別降低了14.67%和17.17%。因此，PEEK/SiO2/CF-MoS2復(fù)合材料在不同載荷條件下均表現(xiàn)出較為優(yōu)異的減摩和耐磨特性。

圖7 純PEEK及其復(fù)合材料在不同載荷下滑動(dòng)摩擦的摩擦因數(shù)(a)和磨損率(b)

圖8所示為PEEK復(fù)合材料在不同接觸載荷下干摩擦滾動(dòng)360 min的摩擦因數(shù)曲線?？梢钥闯?，在施加載荷為200 N時(shí)，PEEK/SiO2/MoS2/CF復(fù)合材料的摩擦因數(shù)曲線最低，PEEK/SiO2/CF-MoS2復(fù)合材料的摩擦因數(shù)曲線稍高，純PEEK的摩擦因數(shù)曲線最高；在施加載荷為400 N時(shí)，3種材料的摩擦因數(shù)曲線較為接近。

圖8 純PEEK及其復(fù)合材料在不同載荷下的滾動(dòng)摩擦因數(shù)曲線

圖9所示為PEEK復(fù)合材料在不同接觸載荷下干摩擦滾動(dòng)360 min的摩擦因數(shù)和磨損率。

圖9 純PEEK及其復(fù)合材料在不同載荷下滾動(dòng)摩擦的摩擦因數(shù)(a)和磨損率(b)

由圖9(a)可以看出，在施加載荷為200 N時(shí)，PEEK/SiO2/CF-MoS2復(fù)合材料的摩擦因數(shù)為0.135，與純PEEK(為0.173)相比降低了21.97%，比PEEK/SiO2/MoS2/CF復(fù)合材料稍高。在施加載荷為400 N時(shí)，PEEK/SiO2/CF-MoS2復(fù)合材料的摩擦因數(shù)為0.076，與純PEEK(為0.080)相比降低了5%，與PEEK/SiO2/MoS2/CF復(fù)合材料相近。由圖9(b)可以得出，無(wú)論在低載和高載條件下，PEEK/SiO2/CF-MoS2復(fù)合材料的磨損率均為最低，分別為2.6×10-7mm3/(N·m)和1.21×10-6mm3/(N·m)，與純PEEK相比，分別降低了73.73%和72.37%；與PEEK/SiO2/MoS2/CF復(fù)合材料相比，分別降低了51.82%和10.37%。即使在大載荷情況下，PEEK/SiO2/CF-MoS2復(fù)合材料也表現(xiàn)出優(yōu)異的耐磨性能。

分析認(rèn)為，在施加載荷較低時(shí)，純PEEK由于沒(méi)有增強(qiáng)相的加入，不能很好地抵抗鋼環(huán)的剪切作用，表現(xiàn)為摩擦因數(shù)和磨損率較高；而當(dāng)施加載荷較大時(shí)，鋼環(huán)的剪切作用加強(qiáng)，純PEEK不能及時(shí)將摩擦產(chǎn)生的熱量散出，造成黏著區(qū)域增大，且形成的轉(zhuǎn)移膜質(zhì)量較差、不完整，造成摩擦因數(shù)波動(dòng)較大、磨損率較高[23]。PEEK/SiO2/MoS2/CF和PEEK/SiO2/CF-MoS2復(fù)合材料其內(nèi)部含有3種增強(qiáng)相，可以及時(shí)將摩擦熱散出，并且還會(huì)形成完整、高質(zhì)量的轉(zhuǎn)移膜抵抗鋼環(huán)的切削和刮擦等作用，因而摩擦因數(shù)曲線波動(dòng)較小，磨損率較低。但由于CF表面光滑易發(fā)生脫落[24]，而CF經(jīng)水熱法原位生成MoS2表面改性后，這個(gè)問(wèn)題得以解決，所以PEEK/SiO2/CF-MoS2復(fù)合材料與PEEK/SiO2/MoS2/CF復(fù)合材料相比，摩擦學(xué)性能更為優(yōu)異。

2.3 不同工況條件下復(fù)合材料滑動(dòng)與滾動(dòng)摩擦行為研究

圖10所示為PEEK復(fù)合材料分別在干摩擦、水潤(rùn)滑和煤泥工況下滑動(dòng)摩擦120 min的摩擦因數(shù)曲線。圖10(a)中，純PEEK在3種工況下的摩擦因數(shù)曲線波動(dòng)均較大。圖10(b)中，PEEK/SiO2/MoS2/CF復(fù)合材料的摩擦因數(shù)曲線相比純PEEK波動(dòng)有所降低。圖10(c)中，PEEK/SiO2/CF-MoS2復(fù)合材料的摩擦因數(shù)曲線波動(dòng)較小。

圖10 純PEEK及其復(fù)合材料在不同工況條件下的滑動(dòng)摩擦因數(shù)曲線

圖11所示為PEEK復(fù)合材料分別在干摩擦、水潤(rùn)滑和煤泥工況下滑動(dòng)摩擦120 min的摩擦因數(shù)和磨損率。以施加載荷為200 N為例，從圖11(a)可以得出，在干摩擦工況下，PEEK/SiO2/CF-MoS2復(fù)合材料的摩擦因數(shù)為0.236；在水潤(rùn)滑工況下，摩擦因數(shù)為0.215；在煤泥工況下，摩擦因數(shù)為0.229。與純PEEK在3種工況條件下的摩擦因數(shù)相比分別降低了32.38%、29.51%和38.99%。同樣以施加載荷為200 N情況為例，由圖11(b)可以得出，PEEK/SiO2/CF-MoS2復(fù)合材料在3種工況條件下均表現(xiàn)出的優(yōu)異的耐磨性能，在干摩擦工況下，其磨損率為1.28×10-6mm3/(N·m)；在水潤(rùn)滑工況下，其磨損率為0.74×10-6mm3/(N·m)；在煤泥工況下，其磨損率為2.99×10-6mm3/(N·m)。與純PEEK在3種工況下的磨損率相比分別降低了74.04%、93.51%和57.35%。

圖11 純PEEK及其復(fù)合材料在不同工況條件下滑動(dòng)摩擦的摩擦因數(shù)(a)和磨損率(b)

圖12所示為PEEK復(fù)合材料分別在干摩擦、水潤(rùn)滑和煤泥工況下滾動(dòng)摩擦360 min的摩擦因數(shù)曲線。由圖12(a)可見(jiàn)，純PEEK在干摩擦和煤泥工況下的摩擦因數(shù)曲線波動(dòng)均較大。由圖12(b)可見(jiàn)，PEEK/SiO2/MoS2/CF復(fù)合材料的摩擦因數(shù)曲線波動(dòng)有所降低，但在煤泥工況條件下摩擦因數(shù)曲線波動(dòng)較大，呈鋸齒狀周期波動(dòng)起伏。由圖12(c)可見(jiàn)，PEEK/SiO2/CF-MoS2復(fù)合材料的摩擦因數(shù)曲線，與PEEK/SiO2/MoS2/CF復(fù)合材料相似，也是在煤泥工況條件下摩擦因數(shù)曲線波動(dòng)較大，呈鋸齒狀周期波動(dòng)起伏。

圖12 純PEEK及其復(fù)合材料在不同工況條件下的滾動(dòng)摩擦因數(shù)曲線

圖13所示為PEEK復(fù)合材料分別在干摩擦、水潤(rùn)滑和煤泥工況下滾動(dòng)摩擦360 min的摩擦因數(shù)和磨損率。

圖13 純PEEK及其復(fù)合材料在不同工況條件下滾動(dòng)摩擦的摩擦因數(shù)和磨損率

由圖13(a)可以得出，PEEK/SiO2/CF-MoS2和PEEK/SiO2/MoS2/CF復(fù)合材料均是干摩擦工況下摩擦因數(shù)最小，純PEEK在水潤(rùn)滑工況下的摩擦因數(shù)最小。以施加載荷為200 N為例，由圖13(b)、(c)和(d)可得，PEEK/SiO2/CF-MoS2復(fù)合材料在3種工況下的磨損率均為最低，分別為2.6×10-7mm3/(N·m)、1.60×10-6mm3/(N·m)和2.72×10-6mm3/(N·m)，與純PEEK相比分別降低了73.73%、76.41%和68.25%。

分析認(rèn)為，在干摩擦工況下，純PEEK受到鋼環(huán)的切削作用無(wú)法形成完整的轉(zhuǎn)移膜，因而摩擦因數(shù)和磨損率較大。在水潤(rùn)滑工況下，雖然水介質(zhì)充當(dāng)了潤(rùn)滑介質(zhì)，有效降低了摩擦因數(shù)，但水介質(zhì)的加入將純PEEK形成的不完整的轉(zhuǎn)移膜沖蝕掉，而純PEEK又會(huì)不斷生成新的轉(zhuǎn)移膜，因而摩擦因數(shù)曲線波動(dòng)也較大，摩擦因數(shù)較小，但磨損率升高。在煤泥工況條件下，煤泥顆粒會(huì)存在于摩擦界面之間，形成“三體磨損”，且煤泥顆粒較大，也會(huì)造成純PEEK的摩擦因數(shù)曲線波動(dòng)大，摩擦因數(shù)和磨損率也相應(yīng)升高。而PEEK/SiO2/CF-MoS2復(fù)合材料內(nèi)部的增強(qiáng)相在摩擦磨損過(guò)程中被釋放到摩擦界面之間，形成一層高質(zhì)量且穩(wěn)定的轉(zhuǎn)移膜，可以有效抵抗鋼環(huán)的切削、水介質(zhì)的沖蝕以及煤泥顆粒的刮擦作用，因而摩擦因數(shù)曲線波動(dòng)較小，摩擦因數(shù)和磨損率較低。

2.4 磨損形貌與磨損機(jī)制分析

圖14所示為PEEK復(fù)合材料在施加載荷為200 N時(shí)分別在干摩擦、水潤(rùn)滑和煤泥工況下滑動(dòng)摩擦120 min后的磨損形貌。其中圖14(a)、(b)和(c)為純PEEK，圖14(d)、(e)和(f)為PEEK/SiO2/MoS2/CF復(fù)合材料，圖14(g)、(h)和(i)為PEEK/SiO2/CF-MoS2復(fù)合材料分別在干摩擦、水潤(rùn)滑和煤泥工況下的磨損形貌。

由圖14(a)、(d)和(g)中可以看出，PEEK/SiO2/CF-MoS2和PEEK/SiO2/MoS2/CF復(fù)合材料磨損表面僅存在少量的淺而窄的犁溝，而純PEEK表面存在大量深而寬的犁溝，伴有黏著區(qū)域。由圖14(b)、(e)和(h)可以看出，PEEK/SiO2/CF-MoS2復(fù)合材料磨損表面犁溝最少。由圖14(c)、(f)和(i)可以看出，PEEK/SiO2/CF-MoS2復(fù)合材料表面的磨損程度最為輕微。

圖15所示為PEEK復(fù)合材料在施加載荷為200 N時(shí)分別在干摩擦、水潤(rùn)滑和煤泥工況下滾動(dòng)摩擦360 min后的磨損形貌。其中圖15(a)、(b)和(c)為純PEEK，圖15(d)、(e)和(f)為PEEK/SiO2/MoS2/CF復(fù)合材料，圖15(g)、(h)和(i)為PEEK/SiO2/CF-MoS2復(fù)合材料分別在干摩擦、水潤(rùn)滑和煤泥工況下的磨損形貌。由圖15(a)、(d)和(g)可以看出，PEEK/SiO2/CF-MoS2復(fù)合材料磨損表面最為平整，PEEK/SiO2/MoS2/CF復(fù)合材料表面存在少量犁溝和塑性變形，純PEEK表面存在大量深而寬的犁溝。由圖15(b)、(e)和(h)可以看出，PEEK/SiO2/CF-MoS2和PEEK/SiO2/MoS2/CF復(fù)合材料磨損表面僅存在一些較淺的犁溝，純PEEK磨損表面出現(xiàn)大量高低不平的凸起和凹坑。由圖15(c)、(f)和(i)可以看出，3種材料磨損表面均被煤泥所包裹，PEEK/SiO2/CF-MoS2復(fù)合材料磨損程度最輕。

圖15 純PEEK及其復(fù)合材料在干摩擦、水潤(rùn)滑和煤泥工況下的滾動(dòng)磨損形貌

圖16所示為PEEK/SiO2/CF-MoS2復(fù)合材料的滑動(dòng)和滾動(dòng)磨損機(jī)制示意圖。如圖16(a)所示，在摩擦磨損試驗(yàn)初期，PEEK基體受摩擦熱發(fā)生塑性變形，在施加恒壓力作用下，發(fā)生應(yīng)力集中，產(chǎn)生微裂紋，并且在鋼環(huán)的切削作用下還會(huì)產(chǎn)生磨屑，形成犁溝。如圖16(b)所示，在摩擦磨損試驗(yàn)進(jìn)行一段時(shí)間后，無(wú)機(jī)粒子、CF和MoS2碎屑進(jìn)入到磨損界面，一方面對(duì)摩擦副表面進(jìn)行了填充，另一方面與磨屑相互作用形成不完全的轉(zhuǎn)移膜，保護(hù)PEEK復(fù)合材料抵抗鋼環(huán)的切削[25-26]。此外，改性碳纖維，即圖中黑色長(zhǎng)條狀，在PEEK基體中還起到了一定的承載和傳遞載荷的作用，避免了微裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展。如圖16(c)所示，在摩擦磨損試驗(yàn)進(jìn)入穩(wěn)定階段，轉(zhuǎn)移膜趨于完整，并且納米SiO2在轉(zhuǎn)移膜中充當(dāng)“滾珠”，MoS2與CF碎屑在轉(zhuǎn)移膜中起到潤(rùn)滑作用，這些都使得PEEK復(fù)合材料的摩擦因數(shù)進(jìn)一步降低，耐磨損性能大大提升。

圖16 PEEK/SiO2/CF-MoS2復(fù)合材料的滑動(dòng)和滾動(dòng)磨損機(jī)制示意

2.5 復(fù)合材料與聚氨酯材料摩擦學(xué)性能對(duì)比

圖17所示為PEEK/SiO2/CF-MoS2復(fù)合材料和聚氨酯在施加載荷為400 N的煤泥工況下滾動(dòng)摩擦360 min的摩擦因數(shù)曲線和磨損率。由圖17(a)可以看出，PEEK/SiO2/CF-MoS2復(fù)合材料的摩擦因數(shù)要比聚氨酯的摩擦因數(shù)低很多。由圖17(b)可以看出，PEEK/SiO2/CF-MoS2復(fù)合材料的磨損率為5.44×10-6mm3/(N·m)，與聚氨酯相比降低了38.46%。由此可得，PEEK/SiO2/CF-MoS2復(fù)合材料與礦井機(jī)械常用的聚氨酯材料相比具有優(yōu)異的減摩和耐磨損性能。

圖17 PEEK/SiO2/CF-MoS2復(fù)合材料和聚氨酯摩擦因數(shù)(a)和磨損率(b)對(duì)比

圖18所示為PEEK/SiO2/CF-MoS2復(fù)合材料和聚氨酯在施加載荷為400 N的煤泥工況下滾動(dòng)摩擦360 min后的磨損形貌。由圖18(a)中可以看出，PEEK/SiO2/CF-MoS2復(fù)合材料磨損表面僅存在少量犁溝，磨損表面較為平整。由圖18(b)可以看出，聚氨酯磨損表面存在大量塑性變形區(qū)域，這是因?yàn)槟Σ两缑嬷g會(huì)形成轉(zhuǎn)移膜保護(hù)復(fù)合材料抵抗下試樣的剪切作用。而聚氨酯是彈性體，在大載荷條件下，聚氨酯表面會(huì)受力而發(fā)生形變，再加上煤泥顆粒的切削和刮擦作用，所以形成大片顆粒狀變形區(qū)域。

圖18 PEEK/SiO2/CF-MoS2復(fù)合材料和聚氨酯磨損形貌

3 結(jié)論

(1)碳纖維表面改性制備的PEEK/SiO2/CF-MoS2復(fù)合材料彈性模量和抗拉強(qiáng)度均有所提高。其中與純PEEK相比分別提高了87.59%和37.85%；與PEEK/SiO2/MoS2/CF復(fù)合材料相比分別提升了14.54%和21.19%。

(2)當(dāng)施加載荷為200 N時(shí)，PEEK/SiO2/CF-MoS2復(fù)合材料在滑動(dòng)摩擦形式下的摩擦因數(shù)和磨損率與純PEEK相比，分別降低了32.38%和74.09%；在滾動(dòng)摩擦形式下，與純PEEK相比分別降低了21.97%和73.73%。當(dāng)施加載荷為400 N時(shí)，在滑動(dòng)摩擦形式下，摩擦因數(shù)和磨損率與純PEEK相比分別降低了31.06%和62.67%；在滾動(dòng)摩擦形式下，與純PEEK相比分別降低了5%和72.37%。

(3)在不同潤(rùn)滑條件下進(jìn)行滑動(dòng)摩擦試驗(yàn)時(shí)，PEEK/SiO2/CF-MoS2復(fù)合材料在水潤(rùn)滑工況的摩擦因數(shù)和磨損率最低。與純PEEK相比，3種工況條件下的摩擦因數(shù)分別降低了32.38%、29.51%和38.99%，磨損率分別降低了74.04%、93.51%和57.35%。在進(jìn)行滾動(dòng)摩擦試驗(yàn)時(shí)，PEEK/SiO2/CF-MoS2復(fù)合材料在干摩擦工況的摩擦因數(shù)和磨損率最低。與純PEEK相比，在3種工況條件下的摩擦因數(shù)相近，但磨損率分別降低了73.73%、68.25%和76.41%。

(4)PEEK/SiO2/CF-MoS2復(fù)合材料在滑動(dòng)和滾動(dòng)摩擦形式下都具有優(yōu)異的減摩和耐磨特性，磨損機(jī)制以磨粒磨損為主。與聚氨酯材料相比，摩擦學(xué)性能更為優(yōu)異。相關(guān)研究成果對(duì)滾輪罐耳耐磨材料的選擇有一定指導(dǎo)意義。