添加聚四氟乙烯微粉后聚醚醚酮復(fù)合材料的摩擦學(xué)性能

，

(上海材料研究所，上海市工程材料應(yīng)用評(píng)價(jià)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200437)

0 引 言

聚醚醚酮(PEEK)是一種耐高溫特種工程塑料，具有強(qiáng)度高、韌性高、耐磨損和耐腐蝕性能優(yōu)異等特點(diǎn)，同時(shí)具有優(yōu)良的加工性能，易于注射、擠出和模壓成型以及切削加工[1-2]，在醫(yī)療、食品、汽車制造、化學(xué)工業(yè)、航空航天、電子電氣等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。但是，聚醚醚酮的摩擦因數(shù)較高、導(dǎo)熱性能較差，因此在摩擦?xí)r所產(chǎn)生的熱量不能快速散出，導(dǎo)致其變形與失效[3-5]。提高聚醚醚酮耐磨性能的一種方法是在其中添加聚四氟乙烯、碳纖維、二硫化鉬等填料以降低摩擦因數(shù)[6-7]。聚四氟乙烯(PTFE)具有良好的自潤(rùn)滑性能，常作為固體潤(rùn)滑劑加入到各種高分子樹脂基體中[8-9]，但是添加的大多為通用PTFE粉體，其粒徑較大，不易分散。PTFE微粉的相對(duì)分子質(zhì)量為3×104～2×105，是通用PTFE樹脂粉體的1%，粒徑較小且均勻，更易于分散[10]。但是，目前在制備聚醚醚酮復(fù)合材料時(shí)大多使用通用PTFE粉體，鮮少使用其微粉。為此，作者采用常溫機(jī)械共混+高溫模壓方法制備了添加不同含量PTFE微粉的聚醚醚酮復(fù)合材料，研究了復(fù)合材料在干摩擦、水潤(rùn)滑以及油潤(rùn)滑條件下的摩擦磨損性能，并分析了其摩擦磨損機(jī)理。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

1.1 試樣制備

試驗(yàn)原料包括聚醚醚酮，牌號(hào)為770PF，由吉林省中研高性能工程塑料有限公司生產(chǎn)；碳纖維(CF)，牌號(hào)為YHP-CD-I3000，平均單絲直徑為7 μm,長(zhǎng)徑比為10∶1，由青島遠(yuǎn)輝復(fù)合材料有限公司生產(chǎn)；聚四氟乙烯微粉，牌號(hào)為DB401A，平均粒徑為12 μm,由上海康瑞斯化工有限公司生產(chǎn)； 通用聚四氟乙烯粉體，牌號(hào)為JF-4TN-S，平均粒徑30 μm,由浙江巨圣化學(xué)有限公司生產(chǎn)；二硫化鉬(MoS2)，牌號(hào)為MF-1，平均粒徑為5 μm,由海華誼集團(tuán)華原化工有限公司生產(chǎn)。

在高速混料機(jī)中將聚醚醚酮、PTFE微粉和碳纖維、二硫化鉬等混料3遍，其中PTFE微粉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0,5%,10%,15%,20%；待混合均勻后，將物料放入板型和實(shí)心圓柱形模具中，在YF32-100型液壓力機(jī)上壓制成型，壓制溫度為375 ℃，壓力為14 MPa；保溫保壓1 h,降溫至60 ℃后取出坯料，經(jīng)過180 ℃×4 h熱處理后隨爐冷卻，經(jīng)機(jī)械加工制得試樣，其中，壓縮性能試樣為圓柱體，尺寸為φ8 mm×20 mm，洛氏硬度試樣為長(zhǎng)方體，尺寸為50 mm×50 mm×6 mm。將添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0,5%,10%,15%,20% PTFE微粉的復(fù)合材料分別記為PKF00，PKF05，PKF10，PKF15，PKF20。采用同樣的工藝制備添加通用聚四氟乙烯粉體的聚醚醚酮復(fù)合材料，其中通用聚四氟乙烯粉體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)與聚四氟乙烯微粉的相同。

1.2 試驗(yàn)方法

按照GB/T 1041-2008，在Instron1195型電子拉力試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行壓縮試驗(yàn)，壓縮速度為1 mm·min-1。按照GB/T 3398.2-2008，使用XHR-150型塑料洛氏硬度計(jì)測(cè)復(fù)合材料的洛氏硬度，球壓頭直徑為6.35 mm,初始載荷為98 N，總載荷為980 N。按照GB/T 3960-2016，采用Amsler型環(huán)塊型摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行環(huán)-塊式滑動(dòng)摩擦磨損試驗(yàn)，鋼輪環(huán)與復(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，采用磨床對(duì)試樣工作面進(jìn)行加工，保證試樣表面的平整度與粗糙度，摩擦副鋼輪的材料為42CrMo鋼，硬度為50～55 HRC，表面粗糙度為0.4 μm，尺寸為φ40 mm×φ16 mm×10 mm，試樣和鋼輪均用酒精清洗晾干?；瑒?dòng)摩擦磨損試驗(yàn)參數(shù)為載荷245 N，鋼輪旋轉(zhuǎn)線速度0.42 m·s-1， 試驗(yàn)時(shí)間2 h，試驗(yàn)環(huán)境溫度約23 ℃，相對(duì)濕度約60%。潤(rùn)滑油采用L-HM46液壓油。摩擦因數(shù)的計(jì)算公式為

μ=M/(F·R)

(1)

式中：M為摩擦力矩，N·m，由試驗(yàn)測(cè)得；F為載荷，N；R為鋼輪半徑，m；μ為摩擦因數(shù)。

摩擦磨損試驗(yàn)結(jié)束后，采用精度0.02 mm游標(biāo)卡尺測(cè)試樣磨痕寬度，將磨痕近似為光滑規(guī)整的圓弧面，體積磨損量的計(jì)算公式為

(2)

式中：V為試樣的體積磨損量，mm3；B為試樣寬度，mm；b為磨痕寬度，mm。

采用VEGA3XMU 型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察試樣磨損后的表面形貌。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 力學(xué)性能

由表1可以看出：隨著PTFE微粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，復(fù)合材料的洛氏硬度和壓縮強(qiáng)度逐漸降低，這是由于PTFE微粉的力學(xué)性能較差，承載能力較低[5]；當(dāng)PTFE微粉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過10%時(shí)，PTFE微粉對(duì)復(fù)合材料壓縮強(qiáng)度的影響起主導(dǎo)作用，因此復(fù)合材料壓縮強(qiáng)度下降的幅度較大。

表1 不同復(fù)合材料的力學(xué)性能Tab.1 Mechanical properties of different composites

2.2 摩擦磨損性能

2.2.1 摩擦因數(shù)

由圖1可知：在干摩擦條件下，隨著PTFE微粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，復(fù)合材料的摩擦因數(shù)減小，當(dāng)PTFE微粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過10%時(shí)，摩擦因數(shù)大幅下降；添加PTFE微粉的復(fù)合材料的摩擦因數(shù)略小于添加通用PTFE粉體的。這是由于PTFE微粉呈多層片狀結(jié)構(gòu)，且其摩擦因數(shù)較低，在摩擦磨損過程中有利于形成均勻穩(wěn)定的轉(zhuǎn)移膜[9]，從而改善復(fù)合材料的抗黏著性能，因此隨著PTFE微粉含量的增加，復(fù)合材料的摩擦因數(shù)大幅下降，且低于添加通用PTFE粉體復(fù)合材料的。

圖1 在干摩擦條件下添加PTFE微粉和通用PTFE粉體復(fù)合材料摩擦因數(shù)隨添加量的變化曲線Fig.1 Friction coefficient vs addition amount curves of composites added with PTFE micro-powder and universal PTFE powder under dry friction condition

圖2 在油潤(rùn)滑和水潤(rùn)滑條件下添加PTFE微粉復(fù)合材料的摩擦因數(shù)隨添加量的變化曲線Fig.2 Friction coefficient vs addition amount curves of composites added with PTFE micro-powder under oil and water lubrication conditions

由圖2可知：隨著PTFE微粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，復(fù)合材料在油潤(rùn)滑和水潤(rùn)滑條件下的摩擦因數(shù)均下降，且其下降趨勢(shì)均比干摩擦條件下的緩慢；油潤(rùn)滑和水潤(rùn)滑條件下的摩擦因數(shù)均低于干摩擦條件下的，油潤(rùn)滑條件下的摩擦因數(shù)比水潤(rùn)滑條件下的小，且隨PTFE微粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，油潤(rùn)滑條件下摩擦因數(shù)降低的幅度較水潤(rùn)滑條件下的大。PTFE微粉的摩擦因數(shù)較低，在油潤(rùn)滑作用下有利于形成均勻穩(wěn)定的轉(zhuǎn)移膜和潤(rùn)滑油膜，并且潤(rùn)滑油可及時(shí)將摩擦面的熱量散出[5]，摩擦面溫度升高的幅度很小，對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響較小，因此復(fù)合材料在油潤(rùn)滑條件下的摩擦因數(shù)很低，且降低幅度較大；在水潤(rùn)滑條件下，水的表面性能較差，不易在摩擦面上形成水潤(rùn)滑膜，同時(shí)水流的沖刷作用破壞了摩擦面上固體潤(rùn)滑膜的穩(wěn)定性[5]，因此水潤(rùn)滑條件下復(fù)合材料的摩擦因數(shù)雖比干摩擦條件下的低，但略高于油潤(rùn)滑條件下的。

2.2.2 體積磨損量

由圖3可知:隨著PTFE微粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，復(fù)合材料在干摩擦條件下的體積磨損量先減小后增大，PKF05復(fù)合材料的體積磨損量最低；而添加通用PTFE粉體的復(fù)合材料在干摩擦條件下的體積磨損量逐漸增大，且略高于添加PTFE微粉復(fù)合材料的。當(dāng)復(fù)合材料中未添加PTFE微粉時(shí)，摩擦面不易形成穩(wěn)定的轉(zhuǎn)移膜，摩擦?xí)r所產(chǎn)生的熱量不能及時(shí)散出[3-5]，因此體積磨損量較大；當(dāng)PTFE微粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%時(shí)，摩擦面形成穩(wěn)定的轉(zhuǎn)移膜，體積磨損量減??；但隨著PTFE微粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的繼續(xù)增加，復(fù)合材料的承載能力下降，導(dǎo)致其體積磨損量增大。

圖3 干摩擦條件下添加PTFE微粉和通用PTFE粉體復(fù)合材料的體積磨損量隨添加量的變化曲線Fig.3 Volume wear loss vs addition amount curves of composites added with PTFE micro-powder and universal PTFE powder under dry friction condition

圖4 在油潤(rùn)滑和水潤(rùn)滑條件下添加PTFE微粉復(fù)合材料的體積磨損量隨添加量的變化曲線Fig.4 Volume wear loss vs addition amount curves of composites added with PTFE micro-powder under oil and water lubrication conditions

由圖4可知，隨著PTFE微粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，復(fù)合材料在油潤(rùn)滑和水潤(rùn)滑條件下的體積磨損量均低于干摩擦條件下的，油潤(rùn)滑條件下的體積磨損量呈下降趨勢(shì)，水潤(rùn)滑條件下的體積磨損量比油潤(rùn)滑條件下的大且呈增大的趨勢(shì)。這是由于PTFE微粉的摩擦因數(shù)較低，在油潤(rùn)滑條件下有利于形成均勻穩(wěn)定的轉(zhuǎn)移膜和潤(rùn)滑油膜，摩擦?xí)r所產(chǎn)生的熱量能夠快速并及時(shí)散出[5]，因此復(fù)合材料的體積磨損量降低；在水潤(rùn)滑條件下，水流沖刷破壞了固體潤(rùn)滑膜的穩(wěn)定性[5]，因此其磨損量略高于油潤(rùn)滑條件下的。

2.3 磨損形貌與摩擦磨損機(jī)理

由圖5可知：干摩擦磨損前，復(fù)合材料表面存在片狀PTFE微粉；干摩擦磨損后，磨損表面存在片狀PTFE微細(xì)磨屑和少量碳纖維，并伴有犁溝和碳纖維富集現(xiàn)象，碳纖維暴露于表面。由此可知，復(fù)合材料在干摩擦磨損條件下的磨損機(jī)制以磨粒磨損為主，并伴有疲勞磨損。

由圖6可知，在油潤(rùn)滑條件下，復(fù)合材料表面存在較少的片狀PTFE磨屑，少量碳纖維發(fā)生富集，碳纖維主要分布于基體中，未暴露于表面。在油潤(rùn)滑條件下，復(fù)合材料表面形成了穩(wěn)定連續(xù)的固體潤(rùn)滑膜[5]，使得復(fù)合材料的摩擦因數(shù)和體積磨損量均最小。

圖5 干摩擦磨損前后PKF20復(fù)合材料的表面形貌Fig.5 Surface morphology of PKF20 composite before (a) and after (b-c) dry friction and wear：(b) at low magnification and (c) at high magnification

圖6 油潤(rùn)滑條件下PKF20復(fù)合材料摩擦磨損后的表面形貌Fig.6 Surface morphology of PKF20 composite after friction and wear under oil lubrication condition：(a) at low magnification and (b) at high magnification

由圖7可知：在水潤(rùn)滑條件下，復(fù)合材料表面被PTFE微片層覆蓋，PTFE微片層局部存在微裂紋和因碳纖維脫落而形成的不規(guī)則圓柱形孔洞。由于水流沖刷作用影響了摩擦面上固體潤(rùn)滑膜的穩(wěn)定性，使得潤(rùn)滑膜處于形成與破裂的交變過程中，因此復(fù)合材料在水潤(rùn)滑條件下的體積磨損量比油潤(rùn)滑條件下的略大。

3 結(jié) 論

(1) 隨著PTFE微粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，復(fù)合材料的洛氏硬度和壓縮強(qiáng)度降低。

圖7 在水潤(rùn)滑條件下PKF20復(fù)合材料摩擦磨損后的表面形貌Fig.7 Surface morphology of PKF20 composite after friction and wear under water lubrication condition：(a) at low magnification and (b) at high magnification

(2) 隨著PTFE微粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，干摩擦條件下復(fù)合材料的摩擦因數(shù)減小,當(dāng)PTFE微粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過10%時(shí)，摩擦因數(shù)大幅下降；復(fù)合材料在干摩擦條件下的體積磨損量呈先降后升的趨勢(shì)，當(dāng)PTFE微粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%時(shí)，體積磨損量最小。

(3) 隨著PTFE微粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，復(fù)合材料在油潤(rùn)滑和水潤(rùn)滑條件下的摩擦因數(shù)和體積磨損量均低于干摩擦條件下的，油潤(rùn)滑條件下的摩擦因數(shù)和體積磨損量均比水潤(rùn)滑條件下的小，油潤(rùn)滑條件下的體積磨損量呈下降趨勢(shì)，水潤(rùn)滑條件下的呈增大趨勢(shì)。

(4) 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，并伴有疲勞磨損；在油潤(rùn)滑條件下，復(fù)合材料表面存在較少片狀PTFE磨屑，少量碳纖維發(fā)生富集；在水潤(rùn)滑條件下，復(fù)合材料表面被PTFE微片層覆蓋，局部存在微裂紋和因碳纖維脫落而形成的不規(guī)則圓柱形孔洞。

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