基于液压往复密封的聚醚醚酮性能研究及其应用*

李国一 黄 乐 叶素娟 王 勇 熊文杰 黄 兴

(广州机械科学研究院有限公司，国家橡塑密封工程技术研究中心 广东广州 510700)

聚醚醚酮(PEEK)材料具有优异的耐高温、耐磨损、自润滑、耐介质腐蚀等特性，被广泛应用于密封领域[1-2]。然而，由于摩擦因数高、压缩回弹性差、安装难度大，其在密封领域的应用受到局限。为改进PEEK材料的性能，研究人员对其进行了各种改性研究，并取得了良好的效果。但目前PEEK材料的研究主要侧重于填料(类型、取向和比例)[3-5]、表面处理(处理方式、处理剂)等改性方法对其物理机械性能和摩擦学性能的影响，以及在不同润滑条件下[6-7]，与不同配偶副材料[8-10]的多条件耦合下其摩擦磨损性能的变化规律。而PEEK材料的在液压密封工况下的摩擦磨损性能研究则鲜有报道。

目前液压往复组合密封多采用弹性体和填充改性聚四氟乙烯(PTFE)组合而成，然而高温高压下PTFE材料容易被挤出[11]，采用挡圈(比如耐高温尼龙)虽然可以起到一定的抗挤出作用，但无疑增加了系统的复杂性，并且在一些特殊应用工况比如表面粗糙多孔情况下，PTFE容易受刮擦，磨损剧烈，从而导致密封失效。PEEK的机械强度和耐磨损性能比PTFE要高，在某些特殊场合具有替代PTFE的潜力。秦自臻等[12]开展了PEEK旋转密封环的密封性能仿真和试验研究，研究结果有助于探讨胀圈型旋转密封环的密封机制，指导新型密封环的设计。目前，PEEK材料在液压密封中的仿真分析和应用研究报道较少。

本文作者针对液压往复密封的低摩擦、高耐磨、耐高压抗挤出、耐液压油等独特工况条件，开展PEEK材料的填充改性及在液压系统中的摩擦磨损性能研究；同时针对PEEK材料压缩回弹性差、硬度高、安装难度大等缺点，通过加工切口，并与弹性体组合形成组合密封，探讨其在液压往复密封中的应用，并分析其密封机制，为PEEK材料在某些特殊场合替代聚四氟乙烯和尼龙材料在液压密封系统中的应用提供了新思路。

1 实验部分

1.1 原材料

聚醚醚酮：550PF，300目，吉林中研高分子材料股份有限公司生产；

碳素纤维粉：YHP-CD-I，350目，青岛远辉复合材料有限公司生产；

聚四氟乙烯微粉：L-5，平均粒径5 μm，大金氟化工有限公司生产；

二硫化钼：F-0，上海胶体化工厂生产。

1.2 仪器设备

高速混合机：XH-5L，江苏常州市宝润欣鸿机械厂生产；

液压机：Y32-50，广东南海市中联液压机械厂生产；

烧结炉：RFX-150，浙江乐清市虹港炉业有限公司生产；

数控车床：CA6140，沈阳第一机床厂生产；

拉力试验机：BTC-EXOPTIC，德国Zwick/Roell公司生产；

摩擦磨损试验机：CFT-Ⅰ型，兰州中科凯华科技开发有限公司生产；

硬度计：Zwick-3117，德国Zwick/Roell公司生产；

DMA：242E，德国NETZSCH生产；

3D表面轮廓仪：ZeGage TM，美国ZYGO生产；

微观可视化测量系统：MP41，广州MSHOT生产。

1.3 试样的制备

将聚醚醚酮和碳素纤维粉、聚四氟乙烯微粉等按比例加入到高速混合机中混合均匀；取一定质量的混合粉料在50～70 MPa的压力下压制成型，然后与模具一起放到烧结炉中在380～400 ℃下烧结2～4 h；烧结后马上取出，并与模具一起放到液压机上，在20～40 MPa的压力下压制保压，直到冷却至200 ℃以下脱模；脱模后将毛坯在200～250 ℃下热处理2～3 h，然后在数控车床或加工中心上加工成各种规格的试样。制备的不同配比的5种试样见表1。

表1 材料组成 单位：%

1.4 性能测试与表征

邵D硬度按GB/T 2411—2008测试；压缩强度按GB/T 1041—2008测试；拉伸强度和断裂伸长率按GB/T 1040—2006测试。

DMA：测试温度-60～200 ℃，升温速率5 ℃/min，频率1 Hz。

摩擦因数、体积磨损率按ASTM G 99—2017测试，销-盘式，干摩擦或液压油润滑，往复行程±12 mm，试验速度0.5 m/s，载荷50 N，时间120 min，磨损质量直接用分析天平测量，体积磨损率按下式计算：

V=Δm/[ρ(L·F)]×1 000

式中：V为体积磨损率，mm3/(N·mm)；Δm为磨损质量，g；ρ为试样密度，g/cm3；L为滑行距离，mm；F为载荷，N。

材料磨损表面形貌采用3D表面轮廓仪测量，金属对摩副(球)表面磨损情况采用微观可视化测量系统测量。

2 结果与讨论

2.1 力学性能

液压往复密封需要密封材料有合适的硬度和弹性模量，当受到预加压力或流体压力时容易压缩回弹产生密封力，并有较高的强度和韧性，从而抵抗压力的冲击而不挤出、脆断，因此对密封材料的基本力学性能有一定的要求，了解每种密封材料的特性对密封材料的正确选型至关重要。

对制备的5种试样进行力学性能分析，结果见表2。可知，与PTFE试样(试样A)相比，PEEK试样(试样E)的硬度和弹性模量大，拉伸强度和压缩屈服强度较高，断裂伸长率较小，这说明PEEK的抗压强度高，抗挤出性好。但同时PEEK的可压缩性比PTFE的要差，因此密封性要差，常温下安装困难，韧性较差。经过碳纤维填充改性，PEEK试样(试样D)的硬度、弹性模量、拉伸强度和压缩屈服强度提高，但断裂伸长率下降，韧性下降。这是因为碳纤维的弹性模量和强度都比较大，填充到PEEK中可以起到增强的作用，但由于其与PEEK基体存在表面相容性不好的问题，因此断裂伸长率下降。经过PTFE填充改性，虽然PEEK试样(试样C)的硬度、弹性模量、拉伸强度和压缩屈服强度下降，但断裂伸长率下降不大，能保持比较好的韧性。这是因为PTFE是一种硬度和弹性模量较低的材料，因此起不到增强作用；同时其与PEEK基体也存在表面相容性不好的问题，因此断裂伸长率下降，但下降幅度不大。

表2 PEEK与PTFE复合材料的力学性能

2.2 摩擦磨损性能

液压元件作往复运动，要求密封件材料摩擦因数低和耐磨损。摩擦因数低意味着摩擦阻力较小，耐磨损意味着使用寿命较长。聚醚醚酮材料具有一定的耐磨损特性，但其摩擦因数比较大，因此需对其进行改性。液压元件一般在不同温度、压力和速度下工作，因此须测试改性后聚醚醚酮密封材料在不同温度、压力和速度下的摩擦因数和体积磨损率，研究密封件磨损失效机制，为密封件的使用寿命评估提供参考。

图1所示为3种密封材料在液压油润滑下的摩擦因数，载荷50 N，往复速度0.5 m/s，往复行程±12 mm，摩擦副材料为直径6 mm的表面镀硬铬金属球，表面粗糙度0.4 μm。可以看出，在液压油润滑下，质量分数40%青铜粉填充改性PTFE(试样B)的摩擦因数最低，约为0.02；质量分数20%PTFE填充改性PEEK(试样C)的摩擦因数约为0.05，质量分数30%碳纤维填充改性PEEK(试样D)的摩擦因数约为0.07。

图2所示为3种密封材料在干摩擦下的摩擦因数。可知，在干摩擦下，质量分数40%青铜粉填充改性PTFE(试样B)的摩擦因数最低，约为0.07；质量分数20%PTFE填充改性PEEK(试样C)，摩擦因数约为0.15，质量分数30%碳纤维填充改性PEEK(试样B)的摩擦因数约为0.25。

图2 干摩擦下不同密封材料的摩擦因数

PEEK材料在干摩擦下的摩擦因数约为0.34，在润滑油摩擦下的摩擦因数不超过0.05[13]，而质量分数20%PTFE填充改性PEEK的干摩擦因数约为0.15，润滑油摩擦因数约为0.05。可见，在干摩擦和油润滑的条件下，PTFE都可有效降低PEEK材料的摩擦因数，并且使其在干摩擦条件下具有一定的运行能力。这是因为PTFE是一种固体润滑剂，其在摩擦过程中分子层间的滑移[13-14]，使其摩擦因数非常低。

图3所示为3种密封材料在干摩擦和油润滑下的体积磨损率。可知，在油润滑下，3种材料的体积磨损率比较接近，约为(7～9)×10-6mm3/(N·m)。在干摩擦条件下，3种材料的体积磨损率都有增大。其中，质量分数40%青铜粉填充改性PTFE(试样B)在油润滑和干摩擦下的体积磨损率比较接近，说明PTFE材料更适应干摩擦运行工况。与质量分数20%PTFE填充改性PEEK(试样C)相比，质量分数30%碳纤维填充改性PEEK(试样D)油润滑下的体积磨损率更小，说明质量分数30%碳纤维填充改性PEEK的耐磨损性更好。

图3 不同密封材料在干摩擦和油润滑下的体积磨损率

图4所示为干摩擦下3种密封材料磨损后的表面显微和光学形貌。从表面显微图可以看出，相比质量分数40%青铜粉填充改性PTFE(试样B)和质量分数30%碳纤维填充改性PEEK(试样D)，质量分数20%PTFE填充改性PEEK(试样C)的磨损磨痕宽度较大，深度较深。从光学形貌图可以看出，3种材料的磨痕中间区域的粗糙度比边缘区域的粗糙度小，表明中间区域的磨痕表面比较光滑，光学形貌数据如表3所示。

图4 干摩擦下不同密封材料的磨损表面显微图(放大10倍)和光学形貌图

表3 不同材料的表面粗糙峰高度

可以看出，相比质量分数40%青铜粉填充改性PTFE(试样B)和质量分数30%碳纤维填充改性PEEK(试样D),质量分数20%PTFE填充改性PEEK(试样C)的磨损表面粗糙峰的平均高度、最大高度和均方高度均较大，表明材料的表面比较粗糙。

图5所示为与不同密封材料对摩的金属(球)表面的磨损表面显微形貌。可以看出，与质量分数40%青铜粉填充改性PTFE(试样B)对磨的金属表面呈现明显的磨粒磨损特征；与质量分数30%碳纤维填充改性PEEK(试样D)对摩的金属表面呈现轻微的磨粒磨损特征；与质量分数20%PTFE填充改性PEEK(试样C)对摩的金属表面则没有明显的磨损现象，其主要磨损为黏着磨损。这说明青铜粉和碳纤维与金属之间的磨损主要为磨粒磨损，PEEK、PTFE与金属之间的磨损主要为黏着磨损。

图5 干摩擦下金属对摩面(球)的磨损表面显微图(放大60倍)

2.3 结构设计与有限元分析

与PTFE材料相比，PEEK材料硬度和弹性模量较高，其抗压和抗挤出能力比较强，比较适合高温高压密封场合。在摩擦磨损性能方面，经过改性的PEEK的摩擦因数会降低，耐磨损性与PTFE相当，因此在一些极端液压往复密封工况比如高温高压，可以考虑采用改性PEEK作为密封材料。其中质量分数20%PTFE填充改性PEEK的摩擦因数较低，虽然耐磨损性不如质量分数30%碳纤维填充改性PEEK，但其硬度和弹性模量相对较小，且断裂伸长率和韧性更好，对金属摩擦副没有损伤，更适合作为密封材料。

然而，PEEK材料室温下硬度比较高、弹性小、可压缩性差，拉伸装配困难，切口方式是解决该问题的有效方法。切口方式有直切口、斜切口和Z形切口，前2种切口方式的泄漏量比较大，密封效果差，而Z形切口有利于控制泄漏量(如图6所示)。

图6 密封件Z形切口示意

Z形切口虽然解决了安装的问题，但切口增加了泄漏通道，且由于PEEK弹性小，密封效果较差，需要采用橡胶弹性体作为弹性补偿元件。橡胶弹性体与PEEK构成的组合密封圈，可有效解决PEEK弹性差的问题。因相比O形橡胶圈，D形橡胶圈更适用于高压工况，因此文中选取D形圈橡胶弹性体作为弹性元件，开展组合密封件的结构设计和性能仿真。其中，压缩量取12%～15%，填充率取90%～95%。密封系统组成如图7所示。

图7 密封系统组成示意

为了模拟实际工况下密封受力和接触压力分布情况，分析了常温(25 ℃)、低温(-55 ℃)和高温(135 ℃)下密封圈在装配和承受介质压力后的受力变形情况，密封件的材料性能取常温、低温和高温下测得的材料性能，结构尺寸用设计时的公称尺寸，分析结果如图8—10所示。

图8 常温(25 ℃)下密封圈的应力分析结果

图10 高温(135 ℃)下密封圈应力分析结果

从分析结果可以看出,密封件在-55、25、135 ℃ 3种温度下的受力变形规律很相似，在装配状态下PEEK密封环与弹性体的等效应力值较为接近，弹性体的等效应变量远大于密封环，接触压力呈抛物线状分布在密封面上[15-16]；施加42 MPa介质压力后，密封环的等效应力值高于弹性体，最大等效应力发生在密封环背压尖角处，但未发生挤出变形，而弹性体的等效应变量仍远大于密封环，接触压力呈近似矩形分布在密封面上，且最大接触压力都大于介质压力，可以满足密封要求。但由于温度会对密封件的材料性能和结构形状造成影响(其中结构形状的影响主要是考虑热胀冷缩对密封件尺寸的影响)，使得3种温度下密封件的性能也有所不同。

图11给出了密封件装配时在-55、25、135 ℃ 3种温度下密封环与缸筒接触区的接触压力分布。可以看出，低温下的接触压力远大于常温和高温下，而高温下接触压力最小，说明装配时温度对密封接触压力的影响是很大的。温度的降低会使得密封材料变硬、密封结构收缩，材料变硬会增大接触压力，结构收缩则会使接触压力降低。从结果来看，该设计方案密封性能随温度的变化主要由其材料性能随温度变化引起的，密封件结构尺寸随温度的变化对该方案密封性能的影响较小。

图12所示为密封件材料在低温(-55 ℃)、常温(25 ℃)和高温(135 ℃)3种温度下的应力应变曲线。可以看出，相比常温(25 ℃)和高温(135 ℃)条件，低温(-55 ℃)条件下，密封件材料的应变受应力的影响较大。这是因为在低温下，材料的分子链被冻结，分子运动困难，材料弹性变差，因此应变受应力影响较大。

图13所示为42 MPa的介质压力下，密封件在低温(-55 ℃)、常温(25 ℃)和高温(135 ℃)条件下密封环与缸筒接触区的接触压力分布。可以看出，3种温度下的最大接触压力都大于介质压力42 MPa。承受42 MPa介质压力前后的最大接触压力结果如表4所示。

图13 介质压力42 MPa下密封件在低温(-55 ℃)、常温(25 ℃)和高温(135 ℃)下不同接触区的接触压力分布

表4 密封件在低温(-55 ℃)、常温(25 ℃)和高温 (135 ℃)下受42 MPa压力前后的最大接触压力

从表4中可以看出，在低温(-55 ℃)、常温(25 ℃)和高温(135 ℃)3种条件下，在介质压力42 MPa条件下的密封件接触压力均比无介质压力条件下的最大接触压力显著增加，且增加后的最大接触压力数值比较接近，说明承受介质压力后温度对接触压力的影响减弱。

上述结果表明文中设计方案在3种温度下都能满足密封42 MPa介质压力的要求。

2.4 密封件试验

对组合密封件开展启动摩擦力、泄漏率、高低温和高低压等密封功能试验，并将试验结果与单一PEEK密封环的实验结果做了比较。结果表明，组合密封件的启动摩擦力和泄漏率均优于单一PEEK密封环,在-55、25、70、135 ℃下其启动摩擦力和泄漏率小，并且在低压5 MPa、高压27和42 MPa下泄漏率都小于100 mL/min，往复使用寿命达到了200多万次，基本达到了设计要求。

3 结论

为满足液压往复密封工况的要求，对PEEK材料进行改性研究，通过合理的结构设计和有限元仿真分析，制备了液压往复用组合密封件，并开展了密封功能试验。主要结论如下：

(1)与填充改性PTFE相比，PEEK材料的硬度、弹性模量更高，抗压和抗挤出性更好；经过质量分数20%PTFE填充改性的PEEK材料摩擦因数较低，不会损伤对摩的金属摩擦副，适合应用于液压往复密封。

(2)将PEEK密封环设计成Z形切口，并与弹性体组合形成组合密封件，可以解决其难安装和弹性差等问题。有限元仿真分析表明，组合密封件在-55、25和135 ℃下都可以适应高压42 MPa的压力。

(3)密封功能试验表明，与单一PEEK密封环相比，组合密封件的启动摩擦力更小，泄漏率更低，基本达到了设计要求。