聚醚醚酮及其复合材料摩擦性能研究进展

侯天武 李秉轲 颜华 杨敏 陈聪地

摘 要：聚醚醚酮、聚醚醚酮及其复合材料的力学性能、改性技术和成型工艺。着重评述聚醚醚酮的摩擦学特性及其耐磨机理；对聚醚醚酮及其复合材料的摩擦磨损性能、在滑动过程中形成的摩擦转移膜以及磨屑的研究；介绍聚醚醚酮基复合材料摩擦学研究的一般方法及规律。介绍了近年来改性聚醚醚酮复合材料的研究进展，详细介绍了各种共混改性聚醚醚酮复合材料的摩擦磨损性能，并展望了耐磨聚醚醚酮复合材料未来的发展方向。

关键词：聚醚醚酮 复合材料 摩擦性能

中图分类号：TQ326.5 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2018）02（b）-0102-03

Abstract： mechanical properties， modification technology and molding process of poly （ether ether ketone）， poly （ether ether ketone） and their composites are reviewed. On the tribological properties of peek on and wear mechanism； research of PEEK and composite materials formed during sliding friction and wear properties and friction transfer film and wear debris； introduces the general method and regulation of PEEK Composites tribological study law. In this paper， the research progress of modified PEEK Composites in recent years is introduced. The friction and wear properties of various blends of PEEK composites are introduced in detail. The future development direction of the composites is also prospected.

Key Words： PEEK； Composites； Friction properties

聚醚醚酮是一种全芳香族半结晶性的热塑性特种工程塑料，由于大分子链上含有刚性的苯环、柔顺的醚键及提高分子间作用力的羰基，结构规整，综合性能优异，尤其是耐热性和摩擦学性能较一般工程塑料好，是一种重要的自润滑减摩耐磨复合材料的基体[1]。聚醚醚酮具有优异的物理、化学、力学、热性能，作为高性能复合材料的基体在工程中得到广泛应用[2-3]。为了改善其摩擦学性能，常添加纤维、固体润滑剂及硬质填料；或者进行表面处理，以降低摩擦，增加耐磨性[4]。纤维增强的聚醚醚酮复合材料具有优异的耐摩擦、抗蠕变性、抗湿热老化性和耐冲击性能[5]。

目前，聚醚醚酮及其复合材料的制备及改性研究是一个热点，有关成果在工业发达国家已经得到实际应用。与其它聚合物相比，聚醚醚酮及其复合材料可以应用在较高的温度下。聚醚醚酮及其复合材料与金属材料相对滑动摩擦时，通常在金属表面形成薄层聚合物转移膜，厚度在纳米至微米的范围内。其结构、成分均与原有的聚合物及复合材料不同；其性能、厚度及连续程度等均对摩擦副的摩擦学性能有重大影响。近年来，随着实验手段的完善，对聚醚醚酮及其复合材料的纳米摩擦学的研究更加深入。在摩擦学领域聚醚醚酮及其复合材料的研究一直是一个热点。利用纳米、微米颗粒或碳纤维等填充聚醚醚酮，可以得到耐热、耐磨性能更好的聚醚醚酮复合材料[6-8]。

随着制造技术的飞速发展，交通运输工具和动力机械的速度、负荷也越来越高，因此对摩擦材料性能的要求也越来越高，再加上环保方面的需要，传统的石棉基摩擦材料已被各种性能优异且无环境污染的新型摩擦材料取代[9]。半金属摩擦材料是由金属增强纤维、粘接剂和填料混合，利用热压成型工艺制作而成，具有热稳定性好、热衰退周期长、耐磨性好、寿命长、导热性好、制动噪声小等优点，获得了广泛的应用，被认为是最优前途的一类摩擦材料[10]。

纤维材料具有价格低廉、与聚醚醚酮结合容易、绝缘性能好、冲击性能和压缩性能好等优点，与聚醚醚酮复合后可使其具有更高的热变形温度和更小的收缩率，因此纤维/聚醚醚酮复合材料广泛应用于航空航天、化工医药、矿山工业及精密机械等领域[11]。其中，多种纤维、无机填料、有机填料复合聚醚醚酮以提高摩擦材料的摩擦性能是摩擦材料发展的一个比较重要的方向。

1 聚醚醚酮摩擦性能

干摩擦条件下，聚醚醚酮磨损表面出现严重的塑性变形和黏着剥落，以黏着磨损和磨粒磨损的混合磨损形式为主；水润滑条件下，磨损表面光滑，磨损方式主要是以轻微的黏著磨损为主[12]。

张志毅等[13]研究了聚醚醚酮材料在摩擦过程中的摩擦机理及摩擦剥落物进行了比较系统的研究，通过上述研究发现，聚醚醚酮在摩擦磨损特征与负载关系上表现出连续变化性，变化前后聚醚醚酮材料的外形结构、表层结构、分子链结构、摩擦过程中产生的剥离物等，均表现出不同的效果。

在较低的负载情况下，材料表面不熔融，摩擦系数伴随负载的增大同时增大，随负载的减小而减小。此时，摩擦材料表层受连续作用产生疲劳进而发生脱落，并在脱落过程中发生晶格破坏，使脱落部分结晶度降低。

在高负载区，材料的摩擦表层熔融，熔体的粘滞性大，造成摩擦系数高于低负载情况，加上材料外形变化使摩擦面增大，使材料的摩擦系数增大而出现伴随上升的情况。

2 聚醚醚酮复合材料摩擦性能

2.1 聚醚醚酮基纤维复合材料

刘爱萍等[14]研制出由不锈钢纤维、碳纤维混合聚醚醚酮复合材料。通过碳纤维、不锈钢纤维、树脂基料的混合顺序进行。在真空干燥箱中进行预热，随后进行热压，最终制得测试样件。该种复合材料具有摩擦系数稳定，磨损率较低。同时，在低温下，主要表现为磨粒磨损；在较高温度下，主要表现为黏着磨损和磨粒磨损共同作用。

李恩重等[12]研究发现，在干摩擦和水润滑条件下，聚醚醚酮和玻纤/聚醚醚酮的摩擦系数和磨损率均随载荷的增大而增加。玻纤作为填料显著提高玻纤/聚醚醚酮复合材料的力学性能，在摩擦过程中玻纤承载了部分载荷，从而改善了复合材料的抗磨性能。在摩擦磨损过程中玻纤逐渐被磨削变细、破碎，并最终从聚合物中剥落。同时，通过对聚醚醚酮和玻纤/聚醚醚酮在水润滑条件下的摩擦因数和磨损率的对比发下安，相较于干摩擦条件下显著降低。

马娜等[15]研究发现，碳纤的加入可以使碳纤/聚醚醚酮复合材料的摩擦学性能得到显著提高。钛酸钾晶须的加入对钛酸钾晶须/聚醚醚酮复合材料摩擦学性能具有很好的增强作用，其增强效果在某些情况下甚至超过了碳纤增强材料。由于碳纤和钛酸钾晶须之间的协同作用，使碳纤/钛酸钾晶须/聚醚醚酮混杂增强复合材料拥有比碳纤/聚醚醚酮或钛酸钾晶须/聚醚醚酮复合材料具有更加优异的耐磨性能和良好的稳定性，能适应在较为苛刻的条件下使用。

2.2 聚醚醚酮基无机填料复合材料

根据汪怀远等[16]研究结果，表面改性后，钛酸钾晶须的接触角均有不同程度的提高，其中氟表面活性剂改性后接触角最大。相对于未改性钛酸钾晶须，改性钛酸钾晶须填充聚醚醚酮复合材料的摩擦因数均得到降低，其中以溶胶-凝胶改性的最低。钛酸钾晶须和溶胶-凝胶改性后钛酸钾晶须的表面能降低，在树脂中的分散性和相容性得到大幅度提高。聚四氟乙烯的加入同时降低了聚醚醚酮的摩擦系数和磨损率。

2.3 聚醚醚酮基有机填料复合材料

根据楚婷婷等[17]研究结果，在聚醚醚酮中添加聚四氟乙烯可以有效降低复合材料的摩擦系数。当聚四氟乙烯添加量为5%时，共混改性聚醚醚酮制得的复合材料既保留了聚醚醚酮的力学性能、耐磨特性，又可以显著降低摩擦系数，延长使用寿命，具有最优的综合性能。与常规轴承水润滑材料相比，具有耐热性好、耐水解等优点，是一种性能优异的水润滑轴承候选材料。

2.4 聚醚醚酮基纳米填料复合材料

根据彭旭东等[18]研究的结论，纳米三氧化二铝可以明显地降低聚四氟乙烯填充聚醚醚酮的摩擦系数和磨损率，当纳米三氧化二铝的含量为5%～7%时，聚醚醚酮复合材料的摩擦学特性最佳。当纳米三氧化二铝的含量较低时，复合材料与对偶面产生的磨损以磨粒磨损和犁削为主；而当纳米三氧化二铝的含量较高时，复合材料的磨损模式主要是粘着磨损。随着载荷的增加，复合材料的摩擦系数将因纳米粒子效应和表面摩擦温升而呈现逐渐下降的趋势。

2.5 聚醚醚酮基多相填料复合材料

通过林有希等[19]研究，填充CaCO3晶须和聚四氟乙烯可以明显提高聚醚醚酮复合材料的摩擦学性能。随着复合材料中晶须添加量增加，摩擦系数持续降低。在低晶须含量时，聚四氟乙烯减磨作用明显；在较高晶须含量时，晶须减磨作用比聚四氟乙烯明顯。复合材料的磨损率随晶须含量的增加呈现先大幅下降后缓慢回升的趋势。CaCO3晶须增强聚醚醚酮减少了复合材料在摩擦过程中摩擦副表面粘着和剥层的效应，阻止了树脂的热塑性变形，同时聚四氟乙烯的加入使得复合材料在对偶件表面形成连续、均匀的转移膜。

根据龙春光等[20]的研究，Ekonol、石墨、MoS2的加入，能显著提高聚醚醚酮复合材料的摩擦学性能。当Ekonol含量为35%时，Ekonol/石墨/MoS2/聚醚醚酮复合材料具有最佳摩擦学性能。随着Ekonol含量的增加，复合材料的磨损原理发生了由粘着磨损、微切削为主向疲劳磨损为主的转变。

3 结语

聚醚醚酮及其复合材料的摩擦学研究和应用还处在起步阶段，对其在不同条件下的摩擦学行为和磨损机理等均需深入研究。通过纤维增强、颗粒填充、高聚物共混等改性方法制备的聚醚醚酮复合材料的摩擦磨损性能得到了明显改善。多种填料共同改性聚醚醚酮树脂时，其摩擦性能更加优越。但同时，由于影响聚醚醚酮摩擦性能的因素很多，因此对多种因素共同作用下聚醚醚酮复合材料磨损机理的研究是一项非常重要的课题。伴随耐磨聚醚醚酮复合材料性能的不断增加，其应用前景将越来越广阔。

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