添加聚四氟乙烯微粉后聚醚醚酮复合材料的摩擦学性能

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(上海材料研究所，上海市工程材料应用评价重点实验室，上海 200437)

0 引 言

聚醚醚酮(PEEK)是一种耐高温特种工程塑料，具有强度高、韧性高、耐磨损和耐腐蚀性能优异等特点，同时具有优良的加工性能，易于注射、挤出和模压成型以及切削加工[1-2]，在医疗、食品、汽车制造、化学工业、航空航天、电子电气等领域得到广泛应用。但是，聚醚醚酮的摩擦因数较高、导热性能较差，因此在摩擦时所产生的热量不能快速散出，导致其变形与失效[3-5]。提高聚醚醚酮耐磨性能的一种方法是在其中添加聚四氟乙烯、碳纤维、二硫化钼等填料以降低摩擦因数[6-7]。聚四氟乙烯(PTFE)具有良好的自润滑性能，常作为固体润滑剂加入到各种高分子树脂基体中[8-9]，但是添加的大多为通用PTFE粉体，其粒径较大，不易分散。PTFE微粉的相对分子质量为3×104～2×105，是通用PTFE树脂粉体的1%，粒径较小且均匀，更易于分散[10]。但是，目前在制备聚醚醚酮复合材料时大多使用通用PTFE粉体，鲜少使用其微粉。为此，作者采用常温机械共混+高温模压方法制备了添加不同含量PTFE微粉的聚醚醚酮复合材料，研究了复合材料在干摩擦、水润滑以及油润滑条件下的摩擦磨损性能，并分析了其摩擦磨损机理。

1 试样制备与试验方法

1.1 试样制备

试验原料包括聚醚醚酮，牌号为770PF，由吉林省中研高性能工程塑料有限公司生产；碳纤维(CF)，牌号为YHP-CD-I3000，平均单丝直径为7 μm,长径比为10∶1，由青岛远辉复合材料有限公司生产；聚四氟乙烯微粉，牌号为DB401A，平均粒径为12 μm,由上海康瑞斯化工有限公司生产； 通用聚四氟乙烯粉体，牌号为JF-4TN-S，平均粒径30 μm,由浙江巨圣化学有限公司生产；二硫化钼(MoS2)，牌号为MF-1，平均粒径为5 μm,由海华谊集团华原化工有限公司生产。

在高速混料机中将聚醚醚酮、PTFE微粉和碳纤维、二硫化钼等混料3遍，其中PTFE微粉的质量分数分别为0,5%,10%,15%,20%；待混合均匀后，将物料放入板型和实心圆柱形模具中，在YF32-100型液压力机上压制成型，压制温度为375 ℃，压力为14 MPa；保温保压1 h,降温至60 ℃后取出坯料，经过180 ℃×4 h热处理后随炉冷却，经机械加工制得试样，其中，压缩性能试样为圆柱体，尺寸为φ8 mm×20 mm，洛氏硬度试样为长方体，尺寸为50 mm×50 mm×6 mm。将添加质量分数分别为0,5%,10%,15%,20% PTFE微粉的复合材料分别记为PKF00，PKF05，PKF10，PKF15，PKF20。采用同样的工艺制备添加通用聚四氟乙烯粉体的聚醚醚酮复合材料，其中通用聚四氟乙烯粉体的质量分数与聚四氟乙烯微粉的相同。

1.2 试验方法

按照GB/T 1041-2008，在Instron1195型电子拉力试验机上进行压缩试验，压缩速度为1 mm·min-1。按照GB/T 3398.2-2008，使用XHR-150型塑料洛氏硬度计测复合材料的洛氏硬度，球压头直径为6.35 mm,初始载荷为98 N，总载荷为980 N。按照GB/T 3960-2016，采用Amsler型环块型摩擦磨损试验机进行环-块式滑动摩擦磨损试验，钢轮环与复合材料试样块组成摩擦副，试样的尺寸为30 mm×7 mm×6 mm，工作面尺寸为30 mm×7 mm，采用磨床对试样工作面进行加工，保证试样表面的平整度与粗糙度，摩擦副钢轮的材料为42CrMo钢，硬度为50～55 HRC，表面粗糙度为0.4 μm，尺寸为φ40 mm×φ16 mm×10 mm，试样和钢轮均用酒精清洗晾干。滑动摩擦磨损试验参数为载荷245 N，钢轮旋转线速度0.42 m·s-1， 试验时间2 h，试验环境温度约23 ℃，相对湿度约60%。润滑油采用L-HM46液压油。摩擦因数的计算公式为

μ=M/(F·R)

(1)

式中：M为摩擦力矩，N·m，由试验测得；F为载荷，N；R为钢轮半径，m；μ为摩擦因数。

摩擦磨损试验结束后，采用精度0.02 mm游标卡尺测试样磨痕宽度，将磨痕近似为光滑规整的圆弧面，体积磨损量的计算公式为

(2)

式中：V为试样的体积磨损量，mm3；B为试样宽度，mm；b为磨痕宽度，mm。

采用VEGA3XMU 型扫描电子显微镜(SEM)观察试样磨损后的表面形貌。

2 试验结果与讨论

2.1 力学性能

由表1可以看出：随着PTFE微粉质量分数的增加，复合材料的洛氏硬度和压缩强度逐渐降低，这是由于PTFE微粉的力学性能较差，承载能力较低[5]；当PTFE微粉的质量分数超过10%时，PTFE微粉对复合材料压缩强度的影响起主导作用，因此复合材料压缩强度下降的幅度较大。

表1 不同复合材料的力学性能Tab.1 Mechanical properties of different composites

2.2 摩擦磨损性能

2.2.1 摩擦因数

由图1可知：在干摩擦条件下，随着PTFE微粉质量分数的增加，复合材料的摩擦因数减小，当PTFE微粉质量分数超过10%时，摩擦因数大幅下降；添加PTFE微粉的复合材料的摩擦因数略小于添加通用PTFE粉体的。这是由于PTFE微粉呈多层片状结构，且其摩擦因数较低，在摩擦磨损过程中有利于形成均匀稳定的转移膜[9]，从而改善复合材料的抗黏着性能，因此随着PTFE微粉含量的增加，复合材料的摩擦因数大幅下降，且低于添加通用PTFE粉体复合材料的。

图1 在干摩擦条件下添加PTFE微粉和通用PTFE粉体复合材料摩擦因数随添加量的变化曲线Fig.1 Friction coefficient vs addition amount curves of composites added with PTFE micro-powder and universal PTFE powder under dry friction condition

图2 在油润滑和水润滑条件下添加PTFE微粉复合材料的摩擦因数随添加量的变化曲线Fig.2 Friction coefficient vs addition amount curves of composites added with PTFE micro-powder under oil and water lubrication conditions

由图2可知：随着PTFE微粉质量分数的增加，复合材料在油润滑和水润滑条件下的摩擦因数均下降，且其下降趋势均比干摩擦条件下的缓慢；油润滑和水润滑条件下的摩擦因数均低于干摩擦条件下的，油润滑条件下的摩擦因数比水润滑条件下的小，且随PTFE微粉质量分数的增加，油润滑条件下摩擦因数降低的幅度较水润滑条件下的大。PTFE微粉的摩擦因数较低，在油润滑作用下有利于形成均匀稳定的转移膜和润滑油膜，并且润滑油可及时将摩擦面的热量散出[5]，摩擦面温度升高的幅度很小，对复合材料力学性能的影响较小，因此复合材料在油润滑条件下的摩擦因数很低，且降低幅度较大；在水润滑条件下，水的表面性能较差，不易在摩擦面上形成水润滑膜，同时水流的冲刷作用破坏了摩擦面上固体润滑膜的稳定性[5]，因此水润滑条件下复合材料的摩擦因数虽比干摩擦条件下的低，但略高于油润滑条件下的。

2.2.2 体积磨损量

由图3可知:随着PTFE微粉质量分数的增加，复合材料在干摩擦条件下的体积磨损量先减小后增大，PKF05复合材料的体积磨损量最低；而添加通用PTFE粉体的复合材料在干摩擦条件下的体积磨损量逐渐增大，且略高于添加PTFE微粉复合材料的。当复合材料中未添加PTFE微粉时，摩擦面不易形成稳定的转移膜，摩擦时所产生的热量不能及时散出[3-5]，因此体积磨损量较大；当PTFE微粉质量分数为5%时，摩擦面形成稳定的转移膜，体积磨损量减小；但随着PTFE微粉质量分数的继续增加，复合材料的承载能力下降，导致其体积磨损量增大。

图3 干摩擦条件下添加PTFE微粉和通用PTFE粉体复合材料的体积磨损量随添加量的变化曲线Fig.3 Volume wear loss vs addition amount curves of composites added with PTFE micro-powder and universal PTFE powder under dry friction condition

图4 在油润滑和水润滑条件下添加PTFE微粉复合材料的体积磨损量随添加量的变化曲线Fig.4 Volume wear loss vs addition amount curves of composites added with PTFE micro-powder under oil and water lubrication conditions

由图4可知，随着PTFE微粉质量分数的增加，复合材料在油润滑和水润滑条件下的体积磨损量均低于干摩擦条件下的，油润滑条件下的体积磨损量呈下降趋势，水润滑条件下的体积磨损量比油润滑条件下的大且呈增大的趋势。这是由于PTFE微粉的摩擦因数较低，在油润滑条件下有利于形成均匀稳定的转移膜和润滑油膜，摩擦时所产生的热量能够快速并及时散出[5]，因此复合材料的体积磨损量降低；在水润滑条件下，水流冲刷破坏了固体润滑膜的稳定性[5]，因此其磨损量略高于油润滑条件下的。

2.3 磨损形貌与摩擦磨损机理

由图5可知：干摩擦磨损前，复合材料表面存在片状PTFE微粉；干摩擦磨损后，磨损表面存在片状PTFE微细磨屑和少量碳纤维，并伴有犁沟和碳纤维富集现象，碳纤维暴露于表面。由此可知，复合材料在干摩擦磨损条件下的磨损机制以磨粒磨损为主，并伴有疲劳磨损。

由图6可知，在油润滑条件下，复合材料表面存在较少的片状PTFE磨屑，少量碳纤维发生富集，碳纤维主要分布于基体中，未暴露于表面。在油润滑条件下，复合材料表面形成了稳定连续的固体润滑膜[5]，使得复合材料的摩擦因数和体积磨损量均最小。

图5 干摩擦磨损前后PKF20复合材料的表面形貌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

图6 油润滑条件下PKF20复合材料摩擦磨损后的表面形貌Fig.6 Surface morphology of PKF20 composite after friction and wear under oil lubrication condition：(a) at low magnification and (b) at high magnification

由图7可知：在水润滑条件下，复合材料表面被PTFE微片层覆盖，PTFE微片层局部存在微裂纹和因碳纤维脱落而形成的不规则圆柱形孔洞。由于水流冲刷作用影响了摩擦面上固体润滑膜的稳定性，使得润滑膜处于形成与破裂的交变过程中，因此复合材料在水润滑条件下的体积磨损量比油润滑条件下的略大。

3 结 论

(1) 随着PTFE微粉质量分数的增加，复合材料的洛氏硬度和压缩强度降低。

图7 在水润滑条件下PKF20复合材料摩擦磨损后的表面形貌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) 随着PTFE微粉质量分数的增加，干摩擦条件下复合材料的摩擦因数减小,当PTFE微粉质量分数超过10%时，摩擦因数大幅下降；复合材料在干摩擦条件下的体积磨损量呈先降后升的趋势，当PTFE微粉质量分数为5%时，体积磨损量最小。

(3) 随着PTFE微粉质量分数的增加，复合材料在油润滑和水润滑条件下的摩擦因数和体积磨损量均低于干摩擦条件下的，油润滑条件下的摩擦因数和体积磨损量均比水润滑条件下的小，油润滑条件下的体积磨损量呈下降趋势，水润滑条件下的呈增大趋势。

(4) 复合材料在干摩擦条件下的磨损机制以磨粒磨损为主，并伴有疲劳磨损；在油润滑条件下，复合材料表面存在较少片状PTFE磨屑，少量碳纤维发生富集；在水润滑条件下，复合材料表面被PTFE微片层覆盖，局部存在微裂纹和因碳纤维脱落而形成的不规则圆柱形孔洞。

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