馮存傲 陶若蘭 余振洋 陳 凱 張德坤

(1.中國礦業(yè)大學材料與物理學院 江蘇徐州 221116；2.中國礦業(yè)大學機電工程學院 江蘇徐州 221116；3.佛山市順德區(qū)震德塑料機械有限公司 廣東佛山 528000)

礦井提升容器(罐籠、箕斗、平衡錘)作為用于提升物料和升降人員的機械設備，其安全性和可靠性受到越來越多的關注[1-5]。滾輪罐耳是礦井提升容器導向和緩沖的重要零部件，其性能直接影響到提升容器的運行狀態(tài)[6-9]。目前常見的滾輪罐耳多以橡膠、聚氨酯材料制成，雖然具有較好的緩沖和耐腐蝕性能，但在惡劣的礦井工況下摩擦學性能欠佳，造成使用壽命較短。因此，為了改善滾輪罐耳的耐磨性和使用壽命，保障礦井提升容器的安全性，必須尋找一種新型耐磨材料。

聚醚醚酮(PEEK)是一種具有輕質化、機械強度高、耐酸堿、易加工等優(yōu)異性能的特種工程塑料[10-12]，近年來，被廣泛地應用于航空航天、汽車制造、醫(yī)療器械等領域[13-15]。如張增猛等[16]制備了PEEK/PTFE/石墨/CF復合材料，研究了316L不銹鋼與PEEK/PTFE/石墨/CF組成的摩擦副在水潤滑條件下的摩擦學性能，發(fā)現316L-PEEK/PTFE/石墨/CF摩擦副的摩擦學性能優(yōu)異，適合作為水液壓泵/馬達的關鍵摩擦副材料。劉后寶等[17]以納米SiO2、PTFE和碳纖維為增強材料制備了PEEK基耐磨材料，研究表明，當PEEK/CF/納米SiO2/PTFE的質量比為65∶15∶5∶15時，PEEK基復合材料的摩擦因數最低，耐磨性能優(yōu)異，適合作為高鐵制動系統(tǒng)執(zhí)行部件中渦旋式壓縮機的活塞環(huán)材料。

為解決滾輪罐耳在礦井環(huán)境下摩擦學性能較差的問題，本文作者選用納米SiO2、MoS2和短切碳纖維(CF)為增強填料制備了PEEK/SiO2/CF-MoS2耐磨復合材料，在模擬礦井環(huán)境下，研究其在不同工況條件下的摩擦學性能，分析了磨損形貌、磨損機制和填料之間的協(xié)同作用，并與礦井常用的聚氨酯材料進行了摩擦學性能對比，以期PEEK復合材料能替代傳統(tǒng)橡膠、聚氨酯材料制備出輕質、高強、耐磨的滾輪罐耳。

1 試驗部分

1.1 試驗原料

試驗所用到的原料主要有PEEK、納米SiO2、MoS2和CF；試劑主要有硫脲(CSN2H4)和四水合鉬酸銨((NH4)6Mo7O24·4H2O)，型號及廠家如表1所示。

表1 主要試驗原料及試劑

1.2 試樣制備

將適量的納米SiO2和硅烷偶聯(lián)劑KH-560在常溫下分散在50 mL乙醇溶液中，加入適量的去離子水，超聲分散3 h，接枝反應完成后，干燥6 h，研磨后備用[18-19]。將一定量的CSN2H4、(NH4)6Mo7O24·4H2O和15 g碳纖維加入到100 mL去離子水中，超聲分散30 min，以獲得混合均勻的碳纖維混合液[20]。隨后將混合溶液倒入容量為200 mL反應釜中，密封完畢后，放到230 ℃烘箱中恒溫24 h，經離心、清洗后，在100 ℃下干燥24 h[21]，獲得改性成功的填料CF-MoS2。按不同配比分別將基體(PEEK粉)和填料(納米SiO2、MoS2、CF和CF-MoS2)放入行星式球磨機中混料180 min，轉速為500 r/min，以獲得混合均勻的共混粉末。共混粉末分為三組，第一組為純PEEK，第二組為PEEK/SiO2/MoS2/CF共混復合材料，第三組為在碳纖維表面生成MoS2的PEEK/SiO2/CF-MoS2共混復合材料，各組分的質量分數見表2。隨后采用精密微量注塑機對混合粉末進行注塑成型，其中注塑機加熱1區(qū)、加熱2區(qū)、加熱3區(qū)和模溫分別為380、380、390和190 ℃，噴頭溫度百分比為75%，螺桿轉速為70 r/min。最后將成型后的樣品放入270 ℃馬弗爐中退火120 min，隨爐冷卻。

表2 PEEK及其復合材料成分配比 單位：%

1.3 力學性能測試

按照GB/T 1040.1—2006對PEEK復合材料進行拉伸試驗，拉伸速度為2 mm/min。每組試樣至少進行5次平行試驗，取平均值。采用邵氏D型硬度計參照GB/T 2411—2008測定壓痕硬度(邵氏硬度)，在同一個試樣上每隔6 mm測試5個點，硬度為多組測試數據的平均值。

1.4 摩擦磨損測試

采用M-2000A型摩擦磨損試驗機按照GB/T 3960—2016對PEEK復合材料進行摩擦學性能評價。在室溫條件下分別研究了PEEK復合材料在不同工況條件下的滑動摩擦磨損行為，具體試驗參數如表3所示。其中，下試樣為45鋼環(huán)，上試樣為PEEK復合材料。下試樣以轉速200 r/min旋轉，上試樣固定不動，上下試樣的配副形式和尺寸如圖1所示。

表3 PEEK復合材料滑動及滾動摩擦磨損試驗條件

圖1 滑動摩擦鋼環(huán)與試樣配副形式及尺寸

在室溫條件下還分別研究了PEEK復合材料在不同工況條件下的滾動摩擦磨損行為，具體試驗參數如表3所示。在滾動過程中，通過導管將水滴淋在兩環(huán)的摩擦接觸區(qū)域，從而模擬水潤滑工況，利用點滴器控制水滴的速度，按照30 滴/min將水滴淋在摩擦接觸的部位；將裝有煤泥漏斗容器裝到試驗機上，通過擠壓將煤泥按照5 g/min速度添加到摩擦接觸的部位，從而模擬煤泥工況環(huán)境。上下試樣的配副形式和尺寸如圖2所示。其中，鋼環(huán)為下試樣，轉速為200 r/min；PEEK復合材料環(huán)為上試樣，轉速為180 r/min，依靠鋼環(huán)與復合材料之間的摩擦力傳動，滑滾比為0.105，為“滑-滾”復合運動，為了方便計算，后續(xù)統(tǒng)稱為“滾動”。

圖2 滾動摩擦鋼環(huán)與試樣配副形式及尺寸

試驗結束后，通過下式來計算磨損率K：

(1)

式中：Δm表示試樣在試驗前后的質量差(g);ρ表示試樣的密度(g/mm3);Fn表示施加載荷(N);L表示滑動距離(m)。

同一組試樣至少進行3組平行試驗，取平均值。試驗后，采用高速相機的拍攝功能和掃描電子顯微鏡(SEM)對PEEK復合材料磨損表面進行觀察分析。

2 結果與討論

2.1 PEEK復合材料力學性能對比

圖3所示為純PEEK及CF改性前后PEEK復合材料拉伸曲線?？梢钥闯?，純PEEK材料具有良好的韌性，延展性較大；PEEK/SiO2/MoS2/CF和PEEK/SiO2/CF-MoS2復合材料韌性較差，延展性較小，但CF經改性后PEEK復合材料的強度明顯提高。

圖3 純PEEK及CF改性前后PEEK復合材料拉伸曲線

圖4所示為PEEK復合材料的彈性模量和抗拉強度?？梢?，PEEK/SiO2/CF-MoS2復合材料的彈性模量和抗拉強度均為最高，其中彈性模量為4 210.5 MPa，抗拉強度為127.25 MPa，與純PEEK相比，分別提升了87.59%和37.85%；與PEEK/SiO2/MoS2/CF復合材料相比，分別提升了14.54%和21.19%。這表明CF經水熱法原位生成MoS2改性，確實可以有效增強PEEK復合材料的力學性能。

圖4 純PEEK及CF改性前后PEEK復合材料彈性模量和抗拉強度

分析認為，如圖5所示，CF經水熱法改性后，表面變得粗糙不平，存在大量的溝槽和孔洞，PEEK基體與改性CF結合時，接觸面積變大，并且兩者之間形成“榫卯結構”，結合力進一步得到增強；同時CF可以有效承載和傳遞PEEK復合材料所受到的應力，從而PEEK/SiO2/CF-MoS2復合材料表現出較為優(yōu)異的力學性能[22]。

圖5 PEEK復合材料拉伸斷面微觀形貌

2.2 不同接觸載荷下PEEK復合材料滑動與滾動摩擦行為研究

圖6所示為PEEK復合材料在不同接觸載荷下干摩擦滑動120 min的摩擦因數曲線?？梢钥闯?，PEEK/SiO2/CF-MoS2復合材料的摩擦因數曲線隨施加載荷的變化，波動較小，而純PEEK的摩擦因數曲線隨著載荷的升高曲線波動較大。

圖6 純PEEK及其復合材料在不同載荷下的滑動摩擦因數曲線

圖7所示為PEEK復合材料在不同接觸載荷下干摩擦滑動120 min的摩擦因數和磨損率。由圖7(a)可以看出，在不同載荷條件下，PEEK/SiO2/CF-MoS2復合材料的摩擦因數均為最低，分別為0.236和0.202，與純PEEK相比，分別降低了32.38%和31.06%；與PEEK/SiO2/MoS2/CF復合材料相比，分別降低了0.8%和10.62%。由圖7(b)可以得出，PEEK/SiO2/CF-MoS2復合材料的磨損率也均是最低，在施加載荷為200 N時，磨損率為1.28×10-6mm3/(N·m)；在載荷為400 N時，磨損率為2.99×10-6mm3/(N·m)。與純PEEK相比，分別降低了74.09%和62.67%；與PEEK/SiO2/MoS2/CF復合材料相比，分別降低了14.67%和17.17%。因此，PEEK/SiO2/CF-MoS2復合材料在不同載荷條件下均表現出較為優(yōu)異的減摩和耐磨特性。

圖7 純PEEK及其復合材料在不同載荷下滑動摩擦的摩擦因數(a)和磨損率(b)

圖8所示為PEEK復合材料在不同接觸載荷下干摩擦滾動360 min的摩擦因數曲線?？梢钥闯?，在施加載荷為200 N時，PEEK/SiO2/MoS2/CF復合材料的摩擦因數曲線最低，PEEK/SiO2/CF-MoS2復合材料的摩擦因數曲線稍高，純PEEK的摩擦因數曲線最高；在施加載荷為400 N時，3種材料的摩擦因數曲線較為接近。

圖8 純PEEK及其復合材料在不同載荷下的滾動摩擦因數曲線

圖9所示為PEEK復合材料在不同接觸載荷下干摩擦滾動360 min的摩擦因數和磨損率。

圖9 純PEEK及其復合材料在不同載荷下滾動摩擦的摩擦因數(a)和磨損率(b)

由圖9(a)可以看出，在施加載荷為200 N時，PEEK/SiO2/CF-MoS2復合材料的摩擦因數為0.135，與純PEEK(為0.173)相比降低了21.97%，比PEEK/SiO2/MoS2/CF復合材料稍高。在施加載荷為400 N時，PEEK/SiO2/CF-MoS2復合材料的摩擦因數為0.076，與純PEEK(為0.080)相比降低了5%，與PEEK/SiO2/MoS2/CF復合材料相近。由圖9(b)可以得出，無論在低載和高載條件下，PEEK/SiO2/CF-MoS2復合材料的磨損率均為最低，分別為2.6×10-7mm3/(N·m)和1.21×10-6mm3/(N·m)，與純PEEK相比，分別降低了73.73%和72.37%；與PEEK/SiO2/MoS2/CF復合材料相比，分別降低了51.82%和10.37%。即使在大載荷情況下，PEEK/SiO2/CF-MoS2復合材料也表現出優(yōu)異的耐磨性能。

分析認為，在施加載荷較低時，純PEEK由于沒有增強相的加入，不能很好地抵抗鋼環(huán)的剪切作用，表現為摩擦因數和磨損率較高；而當施加載荷較大時，鋼環(huán)的剪切作用加強，純PEEK不能及時將摩擦產生的熱量散出，造成黏著區(qū)域增大，且形成的轉移膜質量較差、不完整，造成摩擦因數波動較大、磨損率較高[23]。PEEK/SiO2/MoS2/CF和PEEK/SiO2/CF-MoS2復合材料其內部含有3種增強相，可以及時將摩擦熱散出，并且還會形成完整、高質量的轉移膜抵抗鋼環(huán)的切削和刮擦等作用，因而摩擦因數曲線波動較小，磨損率較低。但由于CF表面光滑易發(fā)生脫落[24]，而CF經水熱法原位生成MoS2表面改性后，這個問題得以解決，所以PEEK/SiO2/CF-MoS2復合材料與PEEK/SiO2/MoS2/CF復合材料相比，摩擦學性能更為優(yōu)異。

2.3 不同工況條件下復合材料滑動與滾動摩擦行為研究

圖10所示為PEEK復合材料分別在干摩擦、水潤滑和煤泥工況下滑動摩擦120 min的摩擦因數曲線。圖10(a)中，純PEEK在3種工況下的摩擦因數曲線波動均較大。圖10(b)中，PEEK/SiO2/MoS2/CF復合材料的摩擦因數曲線相比純PEEK波動有所降低。圖10(c)中，PEEK/SiO2/CF-MoS2復合材料的摩擦因數曲線波動較小。

圖10 純PEEK及其復合材料在不同工況條件下的滑動摩擦因數曲線

圖11所示為PEEK復合材料分別在干摩擦、水潤滑和煤泥工況下滑動摩擦120 min的摩擦因數和磨損率。以施加載荷為200 N為例，從圖11(a)可以得出，在干摩擦工況下，PEEK/SiO2/CF-MoS2復合材料的摩擦因數為0.236；在水潤滑工況下，摩擦因數為0.215；在煤泥工況下，摩擦因數為0.229。與純PEEK在3種工況條件下的摩擦因數相比分別降低了32.38%、29.51%和38.99%。同樣以施加載荷為200 N情況為例，由圖11(b)可以得出，PEEK/SiO2/CF-MoS2復合材料在3種工況條件下均表現出的優(yōu)異的耐磨性能，在干摩擦工況下，其磨損率為1.28×10-6mm3/(N·m)；在水潤滑工況下，其磨損率為0.74×10-6mm3/(N·m)；在煤泥工況下，其磨損率為2.99×10-6mm3/(N·m)。與純PEEK在3種工況下的磨損率相比分別降低了74.04%、93.51%和57.35%。

圖11 純PEEK及其復合材料在不同工況條件下滑動摩擦的摩擦因數(a)和磨損率(b)

圖12所示為PEEK復合材料分別在干摩擦、水潤滑和煤泥工況下滾動摩擦360 min的摩擦因數曲線。由圖12(a)可見，純PEEK在干摩擦和煤泥工況下的摩擦因數曲線波動均較大。由圖12(b)可見，PEEK/SiO2/MoS2/CF復合材料的摩擦因數曲線波動有所降低，但在煤泥工況條件下摩擦因數曲線波動較大，呈鋸齒狀周期波動起伏。由圖12(c)可見，PEEK/SiO2/CF-MoS2復合材料的摩擦因數曲線，與PEEK/SiO2/MoS2/CF復合材料相似，也是在煤泥工況條件下摩擦因數曲線波動較大，呈鋸齒狀周期波動起伏。

圖12 純PEEK及其復合材料在不同工況條件下的滾動摩擦因數曲線

圖13所示為PEEK復合材料分別在干摩擦、水潤滑和煤泥工況下滾動摩擦360 min的摩擦因數和磨損率。

圖13 純PEEK及其復合材料在不同工況條件下滾動摩擦的摩擦因數和磨損率

由圖13(a)可以得出，PEEK/SiO2/CF-MoS2和PEEK/SiO2/MoS2/CF復合材料均是干摩擦工況下摩擦因數最小，純PEEK在水潤滑工況下的摩擦因數最小。以施加載荷為200 N為例，由圖13(b)、(c)和(d)可得，PEEK/SiO2/CF-MoS2復合材料在3種工況下的磨損率均為最低，分別為2.6×10-7mm3/(N·m)、1.60×10-6mm3/(N·m)和2.72×10-6mm3/(N·m)，與純PEEK相比分別降低了73.73%、76.41%和68.25%。

分析認為，在干摩擦工況下，純PEEK受到鋼環(huán)的切削作用無法形成完整的轉移膜，因而摩擦因數和磨損率較大。在水潤滑工況下，雖然水介質充當了潤滑介質，有效降低了摩擦因數，但水介質的加入將純PEEK形成的不完整的轉移膜沖蝕掉，而純PEEK又會不斷生成新的轉移膜，因而摩擦因數曲線波動也較大，摩擦因數較小，但磨損率升高。在煤泥工況條件下，煤泥顆粒會存在于摩擦界面之間，形成“三體磨損”，且煤泥顆粒較大，也會造成純PEEK的摩擦因數曲線波動大，摩擦因數和磨損率也相應升高。而PEEK/SiO2/CF-MoS2復合材料內部的增強相在摩擦磨損過程中被釋放到摩擦界面之間，形成一層高質量且穩(wěn)定的轉移膜，可以有效抵抗鋼環(huán)的切削、水介質的沖蝕以及煤泥顆粒的刮擦作用，因而摩擦因數曲線波動較小，摩擦因數和磨損率較低。

2.4 磨損形貌與磨損機制分析

圖14所示為PEEK復合材料在施加載荷為200 N時分別在干摩擦、水潤滑和煤泥工況下滑動摩擦120 min后的磨損形貌。其中圖14(a)、(b)和(c)為純PEEK，圖14(d)、(e)和(f)為PEEK/SiO2/MoS2/CF復合材料，圖14(g)、(h)和(i)為PEEK/SiO2/CF-MoS2復合材料分別在干摩擦、水潤滑和煤泥工況下的磨損形貌。

由圖14(a)、(d)和(g)中可以看出，PEEK/SiO2/CF-MoS2和PEEK/SiO2/MoS2/CF復合材料磨損表面僅存在少量的淺而窄的犁溝，而純PEEK表面存在大量深而寬的犁溝，伴有黏著區(qū)域。由圖14(b)、(e)和(h)可以看出，PEEK/SiO2/CF-MoS2復合材料磨損表面犁溝最少。由圖14(c)、(f)和(i)可以看出，PEEK/SiO2/CF-MoS2復合材料表面的磨損程度最為輕微。

圖15所示為PEEK復合材料在施加載荷為200 N時分別在干摩擦、水潤滑和煤泥工況下滾動摩擦360 min后的磨損形貌。其中圖15(a)、(b)和(c)為純PEEK，圖15(d)、(e)和(f)為PEEK/SiO2/MoS2/CF復合材料，圖15(g)、(h)和(i)為PEEK/SiO2/CF-MoS2復合材料分別在干摩擦、水潤滑和煤泥工況下的磨損形貌。由圖15(a)、(d)和(g)可以看出，PEEK/SiO2/CF-MoS2復合材料磨損表面最為平整，PEEK/SiO2/MoS2/CF復合材料表面存在少量犁溝和塑性變形，純PEEK表面存在大量深而寬的犁溝。由圖15(b)、(e)和(h)可以看出，PEEK/SiO2/CF-MoS2和PEEK/SiO2/MoS2/CF復合材料磨損表面僅存在一些較淺的犁溝，純PEEK磨損表面出現大量高低不平的凸起和凹坑。由圖15(c)、(f)和(i)可以看出，3種材料磨損表面均被煤泥所包裹，PEEK/SiO2/CF-MoS2復合材料磨損程度最輕。

圖15 純PEEK及其復合材料在干摩擦、水潤滑和煤泥工況下的滾動磨損形貌

圖16所示為PEEK/SiO2/CF-MoS2復合材料的滑動和滾動磨損機制示意圖。如圖16(a)所示，在摩擦磨損試驗初期，PEEK基體受摩擦熱發(fā)生塑性變形，在施加恒壓力作用下，發(fā)生應力集中，產生微裂紋，并且在鋼環(huán)的切削作用下還會產生磨屑，形成犁溝。如圖16(b)所示，在摩擦磨損試驗進行一段時間后，無機粒子、CF和MoS2碎屑進入到磨損界面，一方面對摩擦副表面進行了填充，另一方面與磨屑相互作用形成不完全的轉移膜，保護PEEK復合材料抵抗鋼環(huán)的切削[25-26]。此外，改性碳纖維，即圖中黑色長條狀，在PEEK基體中還起到了一定的承載和傳遞載荷的作用，避免了微裂紋的產生和擴展。如圖16(c)所示，在摩擦磨損試驗進入穩(wěn)定階段，轉移膜趨于完整，并且納米SiO2在轉移膜中充當“滾珠”，MoS2與CF碎屑在轉移膜中起到潤滑作用，這些都使得PEEK復合材料的摩擦因數進一步降低，耐磨損性能大大提升。

圖16 PEEK/SiO2/CF-MoS2復合材料的滑動和滾動磨損機制示意

2.5 復合材料與聚氨酯材料摩擦學性能對比

圖17所示為PEEK/SiO2/CF-MoS2復合材料和聚氨酯在施加載荷為400 N的煤泥工況下滾動摩擦360 min的摩擦因數曲線和磨損率。由圖17(a)可以看出，PEEK/SiO2/CF-MoS2復合材料的摩擦因數要比聚氨酯的摩擦因數低很多。由圖17(b)可以看出，PEEK/SiO2/CF-MoS2復合材料的磨損率為5.44×10-6mm3/(N·m)，與聚氨酯相比降低了38.46%。由此可得，PEEK/SiO2/CF-MoS2復合材料與礦井機械常用的聚氨酯材料相比具有優(yōu)異的減摩和耐磨損性能。

圖17 PEEK/SiO2/CF-MoS2復合材料和聚氨酯摩擦因數(a)和磨損率(b)對比

圖18所示為PEEK/SiO2/CF-MoS2復合材料和聚氨酯在施加載荷為400 N的煤泥工況下滾動摩擦360 min后的磨損形貌。由圖18(a)中可以看出，PEEK/SiO2/CF-MoS2復合材料磨損表面僅存在少量犁溝，磨損表面較為平整。由圖18(b)可以看出，聚氨酯磨損表面存在大量塑性變形區(qū)域，這是因為摩擦界面之間會形成轉移膜保護復合材料抵抗下試樣的剪切作用。而聚氨酯是彈性體，在大載荷條件下，聚氨酯表面會受力而發(fā)生形變，再加上煤泥顆粒的切削和刮擦作用，所以形成大片顆粒狀變形區(qū)域。

圖18 PEEK/SiO2/CF-MoS2復合材料和聚氨酯磨損形貌

3 結論

(1)碳纖維表面改性制備的PEEK/SiO2/CF-MoS2復合材料彈性模量和抗拉強度均有所提高。其中與純PEEK相比分別提高了87.59%和37.85%；與PEEK/SiO2/MoS2/CF復合材料相比分別提升了14.54%和21.19%。

(2)當施加載荷為200 N時，PEEK/SiO2/CF-MoS2復合材料在滑動摩擦形式下的摩擦因數和磨損率與純PEEK相比，分別降低了32.38%和74.09%；在滾動摩擦形式下，與純PEEK相比分別降低了21.97%和73.73%。當施加載荷為400 N時，在滑動摩擦形式下，摩擦因數和磨損率與純PEEK相比分別降低了31.06%和62.67%；在滾動摩擦形式下，與純PEEK相比分別降低了5%和72.37%。

(3)在不同潤滑條件下進行滑動摩擦試驗時，PEEK/SiO2/CF-MoS2復合材料在水潤滑工況的摩擦因數和磨損率最低。與純PEEK相比，3種工況條件下的摩擦因數分別降低了32.38%、29.51%和38.99%，磨損率分別降低了74.04%、93.51%和57.35%。在進行滾動摩擦試驗時，PEEK/SiO2/CF-MoS2復合材料在干摩擦工況的摩擦因數和磨損率最低。與純PEEK相比，在3種工況條件下的摩擦因數相近，但磨損率分別降低了73.73%、68.25%和76.41%。

(4)PEEK/SiO2/CF-MoS2復合材料在滑動和滾動摩擦形式下都具有優(yōu)異的減摩和耐磨特性，磨損機制以磨粒磨損為主。與聚氨酯材料相比，摩擦學性能更為優(yōu)異。相關研究成果對滾輪罐耳耐磨材料的選擇有一定指導意義。