夏 炎，王孝剛，徐 輝

（南京肯特復合材料股份有限公司，江蘇南京211162）

0 引言

聚四氟乙烯（PTFE）具有摩擦系數(shù)低、使用溫度區(qū)間寬、耐化性優(yōu)異、表面能極低等特點，在摩擦磨損及密封領域占有十分重要的地位。但純PTFE耐磨性差、硬度低、高溫機械強度損失較大，限制了其在運動組件、機械承載密封等領域的應用。目前，人們通常采用填充及復合的方法改善其缺點。常用的填料可分為無機物、有機物、金屬及金屬氧化物三類。部分無機填料、金屬及金屬氧化物改性的PTFE復合材料在作為動密封材料時容易損傷對偶，且存在比重大、機加工性能差、耐化性下降等缺點。因此，研究者開發(fā)了一系列耐高溫的芳雜環(huán)聚合物如聚苯酯（POB）、聚苯硫醚（PPS）、聚酰亞胺（PI）、聚醚醚酮（PEEK）和芳綸（AF）等填充改性的PTFE復合材料［1-2］。

PEEK具有優(yōu)良的綜合性能，研究多集中使用PTFE作為固體潤滑劑改善PEEK/PTFE復合材料的摩擦性能［3-4］。Briscoe等［5］在研究PTFE改性PEEK的過程中，表示20%PEEK/80%PTFE的復合材料可能會有特殊的性能，但由于制備方法限制，未能進行深入研究。Sawyer等［6-7］采用熱壓熔融加工方法成型PTFE/PEEK復合材料，其中PEEK粉末平均粒徑僅5μm，研究發(fā)現(xiàn)PEEK的加入沒有提高PTFE/PEEK復合材料的摩擦系數(shù)，在PEEK添加量為50%wt獲得了最低的摩擦系數(shù)及磨損量，甚至低于純PTFE的摩擦系數(shù)。葉素娟等［8］研究可熔融性聚四氟乙烯PFA復合材料時，發(fā)現(xiàn)碳纖的加入可以防止摩擦副對基體的刨削，摩擦后的表面較為平整，采用碳纖維改性的PFA密封圈比傳統(tǒng)模壓的PTFE密封圈的泄漏量少，具有更好的密封效果。本論文通過機械共混、冷壓燒結獲得了不同組分配比的PTFE/PEEK復合材料，系統(tǒng)研究了PEEK含量對PTFE/PEEK復合材料力學性能及摩擦性能的影響。隨后初步探究了CF的加入對PTFE/PEEK復合材料摩擦性能的影響，后期的深入研究還在進行。該復合材料體系在高鐵及汽車制動類運動組件的襯套類產(chǎn)品中具有良好的應用前景。

1 研究方法

1.1 主要原材料及復合材料的制備

PTFE懸浮細粉，密度為2.16 g/cm3，平均粒徑25μm，山東東岳公司，牌號為DF-161；PEEK細粉，平均粒徑70μm，密度為1.30 g/cm3，吉林中研公司，牌號為770PF；碳纖，單絲直徑7μm，長徑比5～10，青島遠輝復合材料有限公司。

將PTFE懸浮細粉和PEEK細粉按比例稱量后，利用刀片式混合機進行混合，將混合物過篩后加入相應的不銹鋼模具，采用浮動模壓成型獲得試樣毛坯，壓力50 MPa，保壓時間3 min。再在370℃的溫度下進行自由燒結，燒結后試樣毛坯尺寸為φ70 mm×50 mm，毛坯經(jīng)機加工獲得測試塊。

考慮到聚合物基體對填料的包絡能力有限，因此以PEEK質量分數(shù)10%為梯度增加至30%進行復配，在超過30%部分以5%為梯度進行復配。由于PEEK粒徑較大，當PEEK質量分數(shù)超過40%后由于采用冷壓燒結成型較難，未進行相關性能研究。

1.2 性能測試

密度測試方法按ASTM D792—2013中的排水法進行，在試驗毛坯上隨機加工5個試塊，試塊重量≥10 g，水溫保持23±1℃，試驗前用無水乙醇擦拭試塊表面。

拉伸性能及壓縮性能利用美斯特工業(yè)系統(tǒng)（中國）有限公司生產(chǎn)的CMT5105型微機控制電子萬能試驗機進行評價，拉伸試驗方法按ASTM D4745，拉伸速率為50 mm/min；壓縮試驗方法按ASTM D695，壓縮速度1.3 mm/min。

摩擦磨損試驗以GB/T3960—2016為依據(jù)，采用MMS-2A型微機控制摩擦磨損實驗機，摩擦磨損試樣尺寸為30 mm×6 mm×7 mm，對偶件選用直徑為40 mm的45#鋼環(huán)，并在試驗前用1 200目金相砂紙打磨。試驗條件為正載荷196 N，摩擦力矩5 N·m，轉速200 r/min，測試時間120 min，干摩擦，室溫23±2℃。實驗數(shù)據(jù)取每組3個試樣的平均值。整個測試過程中的摩擦系數(shù)由摩擦磨損試驗機記錄，比磨損率W表示材料的耐磨性，單位為mm3/（N·m）。實驗結束后采用FESEM進行試樣磨損面的觀察，采用光學顯微鏡觀察對偶鋼環(huán)表面的轉移膜，結合測試結果進行磨損機制的分析。

2 結果與討論

2.1 拉伸及壓縮性能分析

從圖1（a）可以看出，隨著PEEK填充量增加至30%，PTFE/PEEK復合材料的拉伸性能呈現(xiàn)明顯的下降趨勢。當填充量由30%繼續(xù)增加至40%，斷裂伸長率變化不大，拉伸強度反而增加。這是因為PEEK填充量超過30%，材料拉伸呈現(xiàn)脆性斷裂，由于PEEK含量增加，分散在基體樹脂中的PEEK細粉在燒結過程溫度下可能會產(chǎn)生熔接作用，使拉伸強度增加。隨PEEK含量的增加，PTFE/PEEK復合材料的壓縮強度及壓縮模量都呈現(xiàn)出增長趨勢，而復合材料的壓縮模量增長較明顯，有利于運動摩擦組件在載荷下的工作，如圖1（b）所示。

2.2 摩擦學性能分析

圖1 PEEK含量對PTFE/PEEK復合材料力學性能的影響

圖2 材料磨損表面SEM照片

圖3 PEEK含量對PTFE/PEEK復合材料摩擦性能的影響

由圖2可知，純PTFE的磨損形式為黏著磨損、磨粒磨損與疲勞磨損的綜合，而PTFE/CF復合材料幾乎沒有犁溝。隨著PEEK質量分數(shù)由0%增加至35%時，PTFE/PEEK復合材料的摩擦系數(shù)呈現(xiàn)下降趨勢，當PEEK質量分數(shù)為35%，平均滑動摩擦系數(shù)為0.144，如圖3所示。而繼續(xù)增加PEEK含量至40%，PTFE/PEEK復合材料的摩擦系數(shù)反而增加，且磨痕變寬。對比圖2和圖4，PEEK的加入減輕了材料的黏著磨損，表現(xiàn)為磨粒磨損與疲勞磨損為主。PEEK含量增加，剝層現(xiàn)象減輕，磨損面較為光滑、平整，且有PEEK顆粒熔接的現(xiàn)象出現(xiàn)。PEEK含量超過35%，形成的成片PEEK區(qū)域限制了PTFE轉移膜的形成，可能是摩擦系數(shù)升高的原因。

圖4 PTFE/PEEK復合材料磨損表面SEM照片

圖5 CF的含量對（PTFE+35%PEEK）/CF復合材料摩擦性能的影響

圖6 摩擦轉移膜光學顯微圖

在PTFE/PEEK（35%wt）復合材料中隨CF含量增加，復合材料摩擦系數(shù)的摩擦系數(shù)降低，當CF含量小于5%時，磨痕寬度最低，而當CF含量繼續(xù)增加，磨痕寬度反而增加，如圖6所示。在滑動摩擦條件下，聚合物及其復合材料的摩擦學性能在很大程度上取決于聚合物在對偶件上形成轉移膜的能力［9］。對偶件上的摩擦轉移膜進行了對比，由圖6中的結果可知，PTFE/PEEK（35%wt）復合材料生成了連續(xù)均勻的轉移膜，而CF加入后的轉移膜連續(xù)性變差。

3 結語

（1）當PEEK質量分數(shù)超過30%，材料的拉伸呈現(xiàn)脆性斷裂，PEEK在燒結過程中顆粒間會出現(xiàn)部分熔接，增加脆性斷裂時的強度。

（2）純PTFE的磨損形式為黏著磨損、磨粒磨損與疲勞磨損的綜合，PEEK的加入減輕了材料的黏著磨損，表現(xiàn)為磨粒磨損與疲勞磨損為主。

（3）CF加入后破壞了對偶件上的摩擦轉移膜，可能是造成摩擦系數(shù)和磨痕寬度的增加的原因，對該復合材料體系的研究和優(yōu)化還在進行當中。