趙仕浩，張鵬，楊玉婧

(廣東工業(yè)大學(xué)材料與能源學(xué)院，廣東 廣州 510006)

聚醚醚酮（PEEK）是一種綜合力學(xué)性能優(yōu)異、摩擦磨損性能好和良好的可加工性的材料[1]，在各個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，但純PEEK的摩擦系數(shù)較高，導(dǎo)熱性較差，摩擦?xí)r產(chǎn)生的熱量不能很快的傳導(dǎo)，容易導(dǎo)致失效變形[2]，故需要在其中添加碳纖維（SCF）、聚四氟乙烯（PTFE）來改善其摩擦性能[3]。隨著PEEK基復(fù)合材料的應(yīng)用逐漸增多，一些非承力結(jié)構(gòu)的功能件（如復(fù)合材料襯層）使用碳纖維布增強(qiáng)時(shí)存在高成本、效率低、不可二次加工等問題，限制了其進(jìn)一步的發(fā)展。故可以嘗試使用短切纖維（SCF）制造對力學(xué)性能要求不高的制品[4]。Molazemhosseini使用SCF和二氧化硅增強(qiáng)PEEK，顯著降低了其摩擦系數(shù)[5]。目前PEEK基復(fù)合材料的制備工藝有注射成型、擠出成型和模壓成型幾種，由于PEEK的收縮率大、熔融狀態(tài)下黏度高，流動(dòng)性較差、且添加不同組分后交互關(guān)系復(fù)雜，不易得到理想的組織和綜合性能，故需要獲取較優(yōu)的工藝條件[6]。

本文依據(jù)PEEK材料成型的特點(diǎn)，探索模壓成型，高溫自由燒結(jié)的制備工藝，把PEEK材料的壓制和燒結(jié)成型分開，實(shí)現(xiàn)材料毛坯的自由燒結(jié)，在有效釋放燒結(jié)成型產(chǎn)生 熱應(yīng)力的同時(shí)，有效避免了模具和材料粘結(jié)等問題，降低了成本，同時(shí)研究了SCF和PTFE增強(qiáng)PEEK復(fù)合材料在不用工藝條件下的摩擦磨損性能和沖擊性能，為鋼背襯層螺母的制造提供依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 試劑與儀器

聚醚醚酮（PEEK）021P，長春吉大特塑工程研究有限公司；碳素纖維粉末（SCF）YHP-CD-I，平均單絲直徑7 μm，細(xì)度300~350目，青島遠(yuǎn)輝復(fù)合材料有限公司；聚四氟乙烯（PTFE）DF201，平均粒徑400~575 μm，山東東岳化工有限公司。

1.2 試樣制備

共混前，把PEEK和PTEF放入120 ℃的真空干燥箱中干燥5 h，把用丙酮清洗過的SCF放入450 ℃烘箱中空氣氧化45 min。按特定比例（如表1所示）稱量好PEEK、PTFE和SCF，用溶液混料的方法混合2 h，烘干后采用專用模具在液壓壓力機(jī)上冷壓預(yù)成型，經(jīng)過表2所示的模壓工藝參數(shù)高溫成型，經(jīng)機(jī)加工得到復(fù)合材料試樣。

表1 PEEK基復(fù)合材料組分比

表2 模壓工藝的參數(shù)表

1.2 測試與表征

DSC測試的實(shí)驗(yàn)條件：升溫速率10 ℃/min，氣氛為氦氣，溫度從室溫到700 ℃，得出其失重率為20%時(shí)的溫度、玻璃轉(zhuǎn)化溫度和熔融溫度，以此來制定相關(guān)的工藝條件。

沖擊強(qiáng)度按照國標(biāo)GB/T 1843—2008《塑料懸臂梁沖擊強(qiáng)度測試》，試樣大小為80 mm×10 mm×4 mm，試樣采取無缺口沖擊試樣，單位為千焦每平方米（kJ/m2）。

摩擦實(shí)驗(yàn)參照ASTM G99-2004 《用針盤儀進(jìn)行磨損試驗(yàn)的測試方法》進(jìn)行，試樣大小為Ф30 mm×1 mm，用磨床加工試樣工作面，保證其表面平整度和粗糙度，對磨偶件為6 mm的Gcr15球，實(shí)驗(yàn)條件：載荷8 N，對磨時(shí)間1 h，實(shí)驗(yàn)環(huán)境溫度26 ℃左右。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，采用掃描電鏡(SEM)在高真空條件下觀察摩擦磨損形貌。

2 結(jié)果與分析

2.1 DSC測試

經(jīng)測試得到PEEK基復(fù)合材料的失重率為20%時(shí)的溫度為562.0 ℃，材料的玻璃轉(zhuǎn)化溫度為157.4 ℃，熔融溫度為338.4 ℃，故其成型溫度應(yīng)高于338.4 ℃且低于562.0 ℃，使用溫度低于157.4 ℃，由此設(shè)計(jì)出表2的模壓工藝參數(shù)。

2.2 沖擊性能

圖2 為模壓工藝參數(shù)對材料的沖擊性能的影響，可見在20 min的保溫時(shí)間的條件下，隨著成型溫度的上升，材料的沖擊性能呈下降的趨勢，在30 min的保溫時(shí)間的條件下，隨著成型溫度的上升，材料在340~360 ℃其摩擦系數(shù)有明顯的下降，在360~380 ℃保持穩(wěn)定?？梢姰?dāng)成型溫度較低時(shí)，材料的沖擊性能較差，受限于制作周期問題，其保溫時(shí)間應(yīng)盡量小，這時(shí)若溫度較低，PEEK可能成型不充分，不能形成均勻，致密，充分熔融的樣品，處于玻璃態(tài)或塑化不良等情況，同時(shí)提升保溫時(shí)間同樣可以使材料內(nèi)外溫度保持一致，使材料充分熔融，高溫也可降低殘余的熱應(yīng)力。 在溫度超過380 ℃以后材料難以成型，主要是因?yàn)镻EEK分子鏈的特殊性導(dǎo)致其在溫度較高的情況下出現(xiàn)主鏈斷裂，同時(shí)PEEK分子鏈的劇烈運(yùn)動(dòng)難以形成有序的排列導(dǎo)致其取向變低，另外降溫至室溫所需時(shí)間長，增加了時(shí)間成本。最高的沖擊強(qiáng)度在360℃，30 min的條件下，為19.43 kJ/m2。

2.3 摩擦磨損性能

圖3為模壓工藝參數(shù)對材料的摩擦學(xué)性能的影響，可見在20 min的保溫時(shí)間的條件下，隨著成型溫度的上升，材料的摩擦系數(shù)和磨損量呈下降的趨勢，在30 min的保溫時(shí)間的條件下，隨著成型溫度的上升，材料在340~360 ℃其摩擦系數(shù)摩擦系數(shù)和磨損量有明顯的下降，在360~380 ℃保持穩(wěn)定。在模壓成型中，材料處于被壓縮的狀態(tài)，當(dāng)保溫時(shí)間和成型溫度較低時(shí)，材料沒有充分熔融，分子鏈沒有完全展開，PEEK和PTFE無法發(fā)揮出其優(yōu)秀的摩擦學(xué)性能，同時(shí)上面關(guān)于力學(xué)性能的研究也可看出材料和SCF的結(jié)合并不緊密，摩擦界面的承載能力并不理想，無法形成穩(wěn)定的潤滑膜，所以其摩擦因數(shù)略高。如A5和A6的保溫時(shí)間均為30 min，溫度為360 ℃和380 ℃，在合適的保溫時(shí)間和保溫溫度的情況下，得到了充分的熔融，材料的結(jié)合緊密，可見其摩擦系數(shù)和磨損量了下來，且較低。

圖4 為材料磨損面的SEM圖片，可見其磨損面相對光滑，但如圖5(a)(b)(c)所示，其磨損面的凹坑和SCF的剝落孔明顯比其他圖片的多，材料的熔融不充分，結(jié)合不緊密。圖5(a)和(b)為同一成型溫度，不

同保溫時(shí)間的兩種樣品，可見圖5(b)剝落孔比圖5(a)的要少一些，且小一些。圖5(c)可以看到明顯的因承壓能力不足而顯現(xiàn)出來的裂痕，而保溫時(shí)間更長的圖5(d)則無明顯的裂痕和剝落孔，故增大保溫時(shí)間和成型溫度可以讓材料更充分熔融，得到結(jié)合更緊密，組織均勻的材料。

3 結(jié)論

（1）對材料進(jìn)行了熱性能測試，得到了材料的玻璃轉(zhuǎn)化溫度為157.43 ℃，熔融溫度為338.48 ℃，材料從507.03 ℃開始分解，故把成型溫度初步設(shè)定為340 ℃、360 ℃和380 ℃，保溫時(shí)間為20 min和30 min。

（2）成型溫度和保溫時(shí)間的提高可以增加材料的沖擊性能，當(dāng)工藝條件達(dá)到一定值的時(shí)候趨向穩(wěn)定，最高的沖擊強(qiáng)度在360 ℃，30 min的條件下，為19.43 kJ/m2。

（3）成型溫度和保溫時(shí)間的提高可以使材料充分熔融，結(jié)合緊密，從而提高摩擦界面的承載能力，使其形成穩(wěn)定的摩擦轉(zhuǎn)移膜，從而得到摩擦學(xué)性能優(yōu)秀的材料。

（4）經(jīng)過上述的關(guān)于模壓工藝參數(shù)對材料的沖擊性能和摩擦學(xué)性能的影響的研究，可見增大保溫時(shí)間和成型溫度可以讓材料更充分熔融，得到結(jié)合更緊密，組織均勻的材料。最終選定360 ℃、30 min為材料的模壓工藝參數(shù)