(1.中國(guó)航發(fā)西安動(dòng)力控制科技有限公司 陜西西安 710021；2.中國(guó)科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所 甘肅蘭州 730000)

基于綠色環(huán)保、節(jié)約能源的考慮或產(chǎn)品本身的服役工況限制，一些機(jī)械設(shè)備的摩擦部件或系統(tǒng)經(jīng)常需要引入水作為工作或潤(rùn)滑介質(zhì)。然而，水作為潤(rùn)滑介質(zhì)，其黏度極低，不足礦物潤(rùn)滑油的1/50，很難在摩擦副表面形成有效的流體潤(rùn)滑膜，極易造成摩擦副的高摩擦與磨損，并因而發(fā)生卡滯或停車等嚴(yán)重事故。因此，針對(duì)水環(huán)境服役工況需要進(jìn)行特別的摩擦配副材料優(yōu)選與設(shè)計(jì)。相對(duì)于金屬、陶瓷、涂層等硬質(zhì)摩擦配副材料，聚合物及其復(fù)合材料更易于在低黏度的水相環(huán)境中實(shí)現(xiàn)有效的流體潤(rùn)滑，是比較理想的水潤(rùn)滑材料。高性能特種工程塑料聚醚醚酮(PEEK)，具有低密度、耐腐蝕、高強(qiáng)度、自潤(rùn)滑、易加工等綜合優(yōu)勢(shì)，是目前應(yīng)用最為廣泛的高性能水潤(rùn)滑材料之一[1-6]。特別是碳纖維增強(qiáng)改性的聚醚醚酮復(fù)合材料(CF/PEEK)，其在水環(huán)境中具有極高的耐磨性，是目前公認(rèn)性能最突出的水潤(rùn)滑材料，廣泛用于制造苛刻水環(huán)境下服役的齒輪、軸承、缸套等摩擦部件[3,7-8]。

當(dāng)聚合物材料在水環(huán)境中運(yùn)行時(shí)，水會(huì)對(duì)其摩擦磨損行為產(chǎn)生重要影響。一方面，水具有一定的潤(rùn)滑效應(yīng)以及冷卻效應(yīng)，有助于改善材料的摩擦與磨損性能；而另一方面，水分子會(huì)由聚合物復(fù)合材料表面擴(kuò)散到本體之中，產(chǎn)生塑化作用，造成材料微區(qū)膨脹與應(yīng)力集中，致使材料強(qiáng)度、硬度下降以及填料/基體微觀界面破壞，從而加速材料磨損[9-11]。因此，聚合物材料在水潤(rùn)滑下的摩擦學(xué)性能很大程度上取決于水介質(zhì)的具體作用機(jī)制。

液體水環(huán)境是目前聚醚醚酮等聚合物基水潤(rùn)滑材料的主要服役環(huán)境，現(xiàn)有的水潤(rùn)滑下的摩擦磨損理論也主要基于液體水環(huán)境建立。而事實(shí)上，水的存在形態(tài)較為復(fù)雜。在一些機(jī)械設(shè)備(如：中國(guó)航發(fā)西安動(dòng)力控制科技有限公司某型水處理產(chǎn)品)中需要摩擦部件在水蒸氣或水蒸汽環(huán)境下服役，前者是水的氣體形態(tài)，而后者是霧狀的氣-液二相混合形態(tài)。不同形態(tài)的水在理化性能上存在較大差異，與聚合物材料的作用機(jī)制也顯著不同。NICOLAIS等[12]的研究表明，液相與氣相的水在聚醚醚酮材料中的擴(kuò)散規(guī)律與破壞形式截然不同。因此，聚醚醚酮等聚合物材料在不同形態(tài)的水環(huán)境下服役時(shí)，其摩擦磨損性能可能會(huì)存在不同。然而目前關(guān)于水潤(rùn)滑聚合物材料摩擦學(xué)行為與水存在形態(tài)之間相關(guān)性的研究國(guó)內(nèi)外尚不多見，對(duì)于實(shí)際應(yīng)用缺乏有效的理論指導(dǎo)。

本文作者構(gòu)建了專門的試驗(yàn)平臺(tái)以模擬不同水環(huán)境工況，在不同的溫度與濕度條件下對(duì)比研究了碳纖維增強(qiáng)聚醚醚酮復(fù)合材料分別在水蒸氣(氣態(tài))、水蒸汽(即汽態(tài)，氣-液二相混合態(tài))與液態(tài)(水浸泡)3種水環(huán)境下自配副摩擦?xí)r的摩擦與磨損性能，系統(tǒng)考察了水的存在形態(tài)對(duì)材料摩擦學(xué)行為的影響規(guī)律。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)平臺(tái)

為了準(zhǔn)確模擬試驗(yàn)要求的氣態(tài)水蒸氣與氣-液二相混合的霧狀水蒸汽工況環(huán)境，并實(shí)現(xiàn)模擬工況環(huán)境下的原位摩擦磨損試驗(yàn)，構(gòu)建了專門的試驗(yàn)平臺(tái)，具體工作包括：(1)以VTB-B4可程式恒溫恒濕箱為摩擦磨損試驗(yàn)平臺(tái)主體環(huán)境模擬結(jié)構(gòu)單元，該設(shè)備具有氣態(tài)水蒸氣發(fā)生器，可實(shí)現(xiàn)特定溫度、特定濕度氣態(tài)水蒸氣環(huán)境的精確模擬(如圖1(a)所示)；(2)將DRST-06AE超聲波加濕器(該設(shè)備通過陶瓷片高頻諧振可產(chǎn)生霧狀水蒸汽，液滴直徑1～5 μm)與恒溫恒濕箱環(huán)境室進(jìn)行管路連接，通過2臺(tái)設(shè)備的聯(lián)合運(yùn)行，可實(shí)現(xiàn)特定溫度、98%濕度霧狀水蒸汽環(huán)境的精確模擬(如圖1(b)所示)；(3)將MS-T3000小型摩擦磨損試驗(yàn)儀通過防水與線路改造后置于恒溫恒濕箱環(huán)境室內(nèi)，以完成模擬環(huán)境下的原位摩擦磨損試驗(yàn)(如圖1(c)、(d)所示)。通過以上試驗(yàn)平臺(tái)的搭建，可精確模擬特定溫度與濕度的水蒸氣或水蒸汽環(huán)境，并實(shí)現(xiàn)模擬環(huán)境下的原位摩擦磨損測(cè)試。此外，正常大氣環(huán)境溫度與濕度下的干摩擦與水浸泡摩擦試驗(yàn)并不需要環(huán)境模擬裝置的輔助，在摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上即可實(shí)現(xiàn)。

圖1 環(huán)境模擬測(cè)試平臺(tái)

1.2 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)材料為碳纖維增強(qiáng)聚醚醚酮復(fù)合材料(CF/PEEK)，由中國(guó)科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所提供，牌號(hào)為S-0203，采用精密模壓法制備。復(fù)合材料的基本性能參數(shù)如表1所示。

摩擦磨損試驗(yàn)參考標(biāo)準(zhǔn)：ASTM G99-2005。配副方式為自配副，接觸方式為銷-盤(Pin-on-Disc)面接觸，相對(duì)運(yùn)動(dòng)形式為單向旋轉(zhuǎn)滑動(dòng)。銷尺寸為Φ4.8 mm×12.7 mm，盤尺寸為φ54 mm×5 mm，載荷為45 N(接觸應(yīng)力2.5 MPa)，平均線速度為1.0 m/s，設(shè)定運(yùn)行周期為240 min。水浸泡試驗(yàn)前在試驗(yàn)杯內(nèi)加注適量去離子水，以完全浸沒試驗(yàn)銷與盤摩擦面為宜。試驗(yàn)前，打開摩擦磨損試驗(yàn)儀(水蒸氣與水蒸汽汽環(huán)境模擬時(shí)還需要同時(shí)打開恒溫恒濕箱與超聲波加濕器)，預(yù)熱30～60 min；調(diào)控恒溫恒濕箱溫度、濕度到指定值；待溫、濕度參數(shù)穩(wěn)定5～10 min后開始進(jìn)行摩擦磨損測(cè)試。

表1 聚醚醚酮復(fù)合材料性能參數(shù)

設(shè)備摩擦因數(shù)預(yù)警保護(hù)值為0.7，一旦因摩擦太過劇烈、摩擦因數(shù)太大超過該保護(hù)值，摩擦試驗(yàn)將自動(dòng)終止。銷與盤試樣的磨損率按如下公式進(jìn)行計(jì)算：

其中：ωsp為磨損率，mm3/(N·m)；Δm為磨損質(zhì)量損失，mg；ρ為S-0203材料密度，為1.35 mg/mm3；F為載荷，45 N；v為摩擦副對(duì)偶面相對(duì)滑動(dòng)線速度，為1.0 m/s；t為運(yùn)行時(shí)間，s。

摩擦因數(shù)與磨損率均取3次測(cè)試結(jié)果的算術(shù)平均值。

采用JSM-5600LV型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察聚醚醚酮復(fù)合材料的表面形貌。為保證觀察的清晰度，SEM表征前對(duì)材料表面進(jìn)行噴金處理以提高導(dǎo)電性。

2 結(jié)果與討論

2.1 聚醚醚酮復(fù)合材料微觀形貌

圖2所示為聚醚醚酮復(fù)合材料的斷面形貌?？梢姡禾祭w維在聚醚醚酮基體中均勻分散，且與聚醚醚酮基體結(jié)合十分緊密，纖維/基體微觀界面沒有明顯的空隙，這說明碳纖維與PEEK基體之間具有十分良好的界面結(jié)合。一般來講，當(dāng)纖維增強(qiáng)的聚合物復(fù)合材料處于水環(huán)境中時(shí)，水分子會(huì)通過2種方式進(jìn)入復(fù)合材料內(nèi)部，一種是通過聚合物自身擴(kuò)散進(jìn)入，一種是通過纖維/聚合物界面進(jìn)入。以往的研究表明，水分子通過擴(kuò)散進(jìn)入聚合物自身的速率非常緩慢，而一旦纖維/聚合物界面存在空隙，水分子便會(huì)通過毛細(xì)效應(yīng)迅速擴(kuò)散到復(fù)合材料內(nèi)部，從而造成吸水區(qū)域塑化以及纖維/界面破壞，引起材料力學(xué)性能衰減以及耐磨性的急劇下降[13-14]。顯然，良好的微觀界面結(jié)合是CF/PEEK復(fù)合材料在水環(huán)境下能夠長(zhǎng)期、可靠服役的重要原因之一。

圖2 聚醚醚酮復(fù)合材料微觀形貌

2.2 不同工況下聚醚醚酮復(fù)合材料的摩擦與磨損

碳纖維增強(qiáng)聚醚醚酮復(fù)合材料在不同潤(rùn)滑工況下的摩擦因數(shù)與磨損率測(cè)試結(jié)果分別如圖3所示。

從圖3(a)可以看出：在水蒸氣(氣態(tài))工況下，摩擦試驗(yàn)在開始不到2 min就因?yàn)槟Σ撂^劇烈、摩擦因數(shù)太大超過設(shè)備保護(hù)值而被迫終止；運(yùn)行時(shí)間段內(nèi)平均摩擦因數(shù)為0.22～0.43，材料磨損率處于10-3mm3/(N·m)數(shù)量級(jí)(如表2所示)；隨濕度增加，潤(rùn)滑性能會(huì)得到明顯改善，表現(xiàn)為運(yùn)行時(shí)間延長(zhǎng)，磨損率減小。

從圖3(b)可以看出：在水蒸汽(氣-液二相混合態(tài))工況下，摩擦試驗(yàn)開始不到5 min即因摩擦太過劇烈、摩擦因數(shù)太大超過設(shè)備保護(hù)值而被迫終止；運(yùn)行試驗(yàn)時(shí)間段內(nèi)平均摩擦因數(shù)為0.24～0.38，材料磨損率處于10-6mm3/(N·m)數(shù)量級(jí)(如表2所示)；隨溫度升高，潤(rùn)滑性能會(huì)得到明顯改善，表現(xiàn)為運(yùn)行時(shí)間延長(zhǎng)、磨損率減小。

圖3 不同工況下聚醚醚酮復(fù)合材料材料的摩擦因數(shù)變化曲線

環(huán)境工況 磨損率ω/(mm3·N-1·m-1) 銷盤合計(jì)水蒸氣溫度40 ℃,環(huán)境濕度3.4×10-31.5×10-34.9×10-3溫度40 ℃,50%濕度2.2×10-31.5 ×10-33.7 ×10-3溫度40 ℃,98%濕度0.9×10-30.7 ×10-31.6 ×10-3溫度80 ℃,環(huán)境濕度9.6×10-36.0 ×10-315.6×10-3溫度80 ℃,50%濕度3.6×10-31.4×10-35.0×10-3溫度80 ℃,98%濕度2.4×10-31.5×10-33.9×10-3水蒸汽溫度20 ℃,98%濕度2.6×10-61.8×10-64.4×10-6溫度40 ℃,98%濕度2.0×10-61.5×10-63.5 ×10-6溫度80 ℃,98%濕度1.4×10-60.8×10-62.2×10-6水浸泡環(huán)境溫度,水潤(rùn)滑1.2×10-90.2×10-91.4×10-9干摩擦環(huán)境溫度,環(huán)境濕度2.2×10-31.5×10-33.7×10-3

從圖3(c)可以看出：在干摩擦工況下，摩擦試驗(yàn)開始22 s后即因摩擦太過劇烈、摩擦因數(shù)太大超過設(shè)備保護(hù)值而被迫終止；運(yùn)行時(shí)間段內(nèi)平均摩擦因數(shù)為0.41，材料磨損率處于10-3mm3/(N·m)數(shù)量級(jí)(如表2所示)。

從圖3(d)可以看出：在液體水浸泡工況下，整個(gè)試驗(yàn)階段內(nèi)摩擦因數(shù)極較低且極為穩(wěn)定，平均摩擦因數(shù)僅為0.07，材料磨損率為各種工況下最小，僅為1.4×10-9mm3/(N·m)(如表2所示)。

2.3 不同工況下聚醚醚酮復(fù)合材料的磨損形貌

圖4展示了聚醚醚酮復(fù)合材料在不同工況下自配副磨損后的表面形貌。

圖4 不同工況下聚醚醚酮復(fù)合材料的掃描電鏡圖

從圖4(a)可以看出：磨損試驗(yàn)后大量突出的碳纖維在材料磨損表面富集，這些纖維在摩擦磨損過程中將承受復(fù)合材料摩擦表面所受到的主要法向與切向應(yīng)力，有效抑制聚合物基體所受到的摩擦損傷。從圖4(a)、(b)、(d)可以看出：在干摩擦、水蒸氣與水蒸汽工況下材料磨損表面均十分粗糙，磨損表面呈現(xiàn)出嚴(yán)重的片層剝落與塑性變形傾向，表現(xiàn)出黏著磨損的特征。聚合物材料的黏著磨損往往歸因于潤(rùn)滑不足所引發(fā)的高摩擦以及大量的摩擦界面生熱，界面溫度的上升將加速聚合物材料的黏著轉(zhuǎn)移，表現(xiàn)出振蕩的摩擦磨損過程與嚴(yán)重的摩擦損失，這與摩擦磨損試驗(yàn)所反映的結(jié)果一致。從圖4(c)可以看出：在水浸泡工況下材料磨損表面較為光滑，沒有片層剝落與塑性變形發(fā)生，表現(xiàn)為輕微的磨粒磨損，這也反映了水浸泡工況下材料穩(wěn)定的低摩擦滑動(dòng)過程。

3 結(jié)論

(1)氣態(tài)水蒸氣對(duì)于聚醚醚酮復(fù)合材料幾乎沒有潤(rùn)滑能力，在該工況下材料發(fā)生嚴(yán)重的黏著磨損，其摩擦磨損行為與干摩擦工況下相當(dāng)。

(2)霧狀水蒸汽的潤(rùn)滑能力要優(yōu)于氣態(tài)水蒸氣，但是該工況下材料仍然發(fā)生嚴(yán)重的黏著磨損，并不具備保證聚醚醚酮復(fù)合材料摩擦部件長(zhǎng)期、可靠運(yùn)行的能力。

(3)液體水潤(rùn)滑能夠?yàn)榫勖衙淹獜?fù)合材料提供長(zhǎng)效、可靠的潤(rùn)滑保障，在該工況下聚醚醚酮復(fù)合材料為輕微的磨粒磨損，具有極低的摩擦因數(shù)與磨損率，具有實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)周期、高可靠服役的最大可能性。