不同润湿性CFR/PEEK表面在不同介质中的摩擦学性能

王子朋， 高殿荣， 梁瑛娜， 刘晓辉， 申苗苗

(1.燕山大学 机械工程学院， 河北 秦皇岛 066004；2.燕山大学 河北省重型机械流体动力传输与控制重点实验室, 河北 秦皇岛 066004)

引言

由于磨损对机器效率、寿命、能耗等有着直接的影响，减小磨损一直是各行各业不可避开的话题。因CFR/PEEK有着良好的耐腐蚀性，润滑性等优良性能，广泛应用于海洋、生物、航空等领域[1-3]。并且，CFR/PEEK具有较强耐水解和抗压性能，可以很好的应用于高压水环境下长期服役的液压元件，如水压泵的各种摩擦副。目前已有大量学者对CFR/PEEK中碳纤维的添加计量[4]、纤维形态[5]、纤维布局和加工方法[6]做了较为系统的研究，因此可以对CFR/PEEK摩擦副表面进行进一步处理，使其达到最佳摩擦磨损性能。传统的表面处理技术有渗入化学元素、表面涂敷、表面热处理等方式来改变表面的耐磨性[7-8]。近年来人们对一些动物表皮进行深入研究，如穿山甲、鲨鱼皮、昆虫翅膀等，人们从仿生学角度出发，借鉴这些动物经过数百万年的进化才得到的“成果”，加工出一些仿生非光滑表面[9-11]，如不粘锅表面、潜水泳衣表面、轮船底部表面等，目前仿生非光滑表面的应用已经取得了显著的成果。这些方法主要以改变表面结构或提高表面硬度的方式来达到减磨的目的，而对表面润湿性在不同黏度介质下对摩擦副影响方面还鲜有报道。

表面润湿性是表述表面性能的重要指标，润湿性反应界面对液体的吸附能力，对微观尺度下物质与能量输运起着重要作用，材料界面润湿性与滑移特征之间存在密切联系[12-13]，因此通过改变表面微观织构来改变表面润湿性进而改变摩擦副摩擦学性能已经成为研究热点。王权岱等[14]发现，材料表面润湿性在不同润滑状态下对摩擦学特性有显著的影响。王新宇等[15]发现，与未织构的DLC涂层相比，PAO润滑油在织构化处理的DLC涂层样品表面具有更好的润湿性和摩擦学性能。CONIGLIO N等[16]研究发现，润湿性与表面纹理的尺度及表面粗糙度有关。马明明等[17]探讨凹坑形织构对表面润湿性和摩擦学性能的影响，发现凹坑形貌对摩擦学性能的影响大于对润湿性的影响。熊其玉等[18]研究发现：激光微织构能够改变表面润湿性，Sa相同的表面，微织构形状、方向均影响表面润湿性。李杰等[19]在微织构表面修饰有机硅烷分子膜，制备得到具有疏水/超疏水性表面，结果表明，激光微织构具有的微米级粗糙结构与自组装分子膜的共同作用对超疏水表面的构建具有重要作用。董青[20]通过试验发现，激光表面微织构能够加剧表面的润湿性，表面带有微织构的试件的摩擦系数均比未织构试件的摩擦系数低。连峰等[21]采用低表面能修饰和涂覆SiO2，制备具有不同润湿性的 Ti6Al4V表面，摩擦磨损试验结果表明，低表面能修饰或涂覆SiO2均使 Ti6Al4V表面由亲水变为疏水，但涂覆SiO2可获得更大的接触角和小的滚动角，且更加显著地减小摩擦系数和磨损量。崔晓华等[22]研究了不同长度CF/PEEK复合材料对润湿性及摩擦学性能的影响，试验结果表明，加入碳纤维后，复合材料表面接触角增大；CF/PEEK的摩擦系数及摩擦量均低于纯PEEK。焦云龙等[23]在研究表面润湿性对橡胶滑动接触界面摩擦特性的影响时进行了试验，研究表明，固-液接触角与稳态滑动摩擦因数具有一定的线性相关性(R2≈0.92)，摩擦因数随着接触角的增大而增大。

本研究以柱塞泵配流副为试验对象，通过不同目数的砂纸打磨配流副表面，改变表面形貌得到不同润湿性表面，采用MMD-5A标准摩擦磨损试验机探索不同润湿性的CFR/PEEK在水、海水、油介质中的摩擦学行为，为CFR/PEEK的实际应用提供理论支持。

1 试验

1.1 试件的制备

以柱塞泵配流副为基底，上试件采用硬度较大的SAF2507双相不锈钢，下试件采用CFR/PEEK，上、下试样分别对应柱塞泵配流副中的缸体端面、配流盘，如图1所示。

图1 试验试样

采用不同目数的砂纸在光滑平台上打磨试件表面，打磨方向为任意方向。试验一共分12组进行，分别取12对上下试件。上试件统一采用2000目砂纸打磨，采用HARKE接触角测量仪分别用水、海水、油测量接触角，水采用普通蒸馏水，海水是在秦皇岛海域打捞经过沉淀和过滤后的天然海水，油采用L-HM46#高压抗磨液压油，测量液滴过大时，由于液滴自身的重力会使铺展速度加快，造成测量误差，经如图2所示的Taylor Hobson粗糙度轮廓仪测量，表面粗糙度最大1.2 μm，液滴体积取3 μL可满足试验，取液滴滴下后1 s时的接触角值，每个表面测量10个位置取平均值。测得2000目数砂纸打磨的SAF2507用不同介质测量的表面接触角如表1所示。

表1 上试件表面接触角

图2 Taylor Hobson粗糙度轮廓仪

下试件采用同样的方法用不同目数的砂纸打磨，下试件打磨12个，分4组， 每一组的3个试件用同一种砂纸打磨，不同目数砂纸所打磨下试件表面粗糙度，经Taylor Hobson粗糙度轮廓仪测量后得出曲线结果如图3所示，δ为轮廓偏离量，l为取样长度。

图3 不同目数砂纸打磨表面测量曲线

将打磨好的试件分别在水、海水、油介质中进行试验，由于被同一种砂纸打磨的不同下试件接触角误差相差不大(±2°)，分析时可认为是同一种表面，不同砂纸打磨的CFR/PEEK用不同介质测量的表面接触角如表2所示。

表2 不同砂纸打磨出的下试件表面接触角

由表2可以看出，相同表面下水和海水接触角相差不大，水略高于海水，液压油的接触角最小。说明CFR/PEEK试件表面难以被水润湿，容易被液压油润湿。同一种液体下随着表面粗糙度增加接触角在变小，这是由于材料本身属于亲水(油)材料，随着粗糙度增加，固液接触面积也在增加，这也符合Wenzel模型理论。

1.2 试验步骤

试验所用机器为MMD-5A标准摩擦磨损试验机，主轴上端由电机带动旋转，主轴下端自带具有自动调整功能的上试样夹具，上试样上面的2个定位孔与上试样夹具上的定位销配合后，中心处用螺钉拧紧在夹具上，上试样夹具的自动调整功能可保证摩擦过程中摩擦副始终保持面接触；下试样底面的2个定位孔与固定在加载液压缸活塞杆端部的底座上的2个定位销配合，再将水盒固定在底座上。当加载液压缸活塞杆向上运动时，会使上下试样的表面接触并加载到设定值，如图4所示，上下试件夹具如图5所示。试验前用超声波清洗仪清洗30 min并吹干以保证试件表面的清洁，用HARKE接触角测量仪测量接触角，用激光共聚焦电子显微镜观测表面形貌，并用高精度电子天平对下试件称重，以备试验前后对比。将试件和水盒安装在试验机上后倒入润滑介质以保证整个摩擦过程在浸泡下进行。一般柱塞泵额定压力在31.5 MPa，转速范围为800～2000 r/min。虽然上下试样是仿照柱塞泵缸体端面与配流盘加工的，但由于本研究主要是研究不同润湿性CFR/PEEK在不同介质中的摩檫学性能，且由于受所用摩擦磨损试验机最大加载力的限制，本次所用试验工况并没有与实际的柱塞泵的压力和转速相匹配。本研究采用的测试时间t=10 min，转速N=200 r·min-1，所加载荷F=100 N，试验后导出EXCEL数据表格，试验过程及设备如图4所示。

图4 摩擦磨损试验流程示意图

图5 上、下试样安装夹具图

2 试验结果分析

2.1 摩擦结果分析

把摩擦磨损试验机电脑导出的EXCEL数据导入Origin得出摩擦系数随时间变化曲线，如图6所示。

图6 不同介质下摩擦系数随时间变化曲线图

由图6可以看出，在同一种介质中，表面接触角最大摩擦磨损系数最小，在不同介质中，油介质中的摩擦系数要大于水和海水，水中的摩擦系数略小于海水。因为当两表面接触并开始相对滑动以后，由于上下试件相互接触并挤压，在接触面上会产生一个阻碍相对运动的力，称摩擦力。除摩擦力外，由于液体的黏滞性，上试件转动会带动液体转动，在液体与下试件接触表面也会形成一个阻碍相对运动的力，称黏滞力[24]。黏滞力和润湿性还有液体黏度有关，润湿性越差(接触角越大)，黏滞力越小；液体黏度越小，黏滞力越小。黏滞力可理解为两相对滑动固体表面之间的流体内部的内摩擦力，关系式如下：

(1)

式中，T—— 内摩擦力

μ—— 动力黏度

A—— 润滑膜与试件的接触面积

v—— 滑动速度

h—— 润滑膜厚度

由上式可知，同种表面在同种工况下，内摩擦力的影响因素只有润滑介质的动力黏度和润滑膜厚度，在室温下水的动力黏度约为1×10-3Pa·s，油的动力黏度约为50 Pa·s，经测量砂纸打磨试件表面粗糙度范围是0.1～1.2 μm，根据Ra概念可知表面微凸体高度范围是0.2～2.4 μm，又经过显微镜对试验后观测的表面犁沟可知，油膜厚度尺寸小于微凸体高度尺寸，可取滑膜厚度范围为0.2～2.4 μm。极端情况下，水润滑时润滑膜厚度取0.2 μm，油润滑膜取2.4 μm，此时求得T水为5000vA，小于T油为2.1×107vA，即在同种表面在同种工况下，水润滑下的内摩擦力远远小于油润滑下的内摩擦力，摩擦力和摩擦系数关系式为：

(2)

式中，f—— 摩擦系数

N—— 正压力(试验加载力)

由上式可知，正压力一定的情况下，摩擦力与摩擦系数成正比，此时结合试验结果可知，同种表面在同种工况下，油润滑下摩擦磨损系数最大。

从图6中可以看出，试件在发生相对滑动的一瞬间，摩擦系数骤然上升然后缓慢下降到一个稳定状态，水和海水介质中摩擦的这种现象比油的现象要明显，这是由于摩擦发生后的磨合阶段的两表面微凸体间的挤压和碰撞，或者上表面微凸体对下表面的犁沟作用，使得磨合阶段摩擦力较大，这一过程大约发生在100 s以内，当稳定摩擦阶段的时候，微凸体已经被破坏，犁沟已经形成，这时候摩擦系数会处于稳定状态，水和海水介质中摩擦的这种现象比油的现象要明显，因为油比水和海水更容易形成润滑膜，由于润滑油膜的存在使得一些较小的微凸体不会直接接触从而大大减小磨合期的时间。从图6a、图6b中还可看出，在水(海水)介质下，水的接触角为68.21°和56.32°(海水为65.12°和54.32°)的两条摩擦系数曲线图在前后进行了交叉，说明在后段的摩擦中，水接触角为56.32°(海水为54.32°)的表面摩擦效果表现会更好；图6c中，油介质下接触角为30.13°的表面摩擦系数曲线从最开始的最大慢慢下降到接触角为41.33°和36.65°表面摩擦系数的下方，说明接触角为30.13°的表面在后段的摩擦效果表现会更好。

由图6还可知，所有摩擦试验进行到100 s以后基本进入稳定磨合阶段，取后500 s的平均摩擦系数，每个介质分别用4种由大到小不同润湿性表面的下试件试验，将最大、最小平均摩擦系数的差与最大、最小接触角的商作为润湿性对摩擦系数的影响因数，即：

(3)

式中，S—— 影响因数

Φ—— 最大平均摩擦系数

φ—— 最小平均摩擦系数

α—— 最大接触角

β—— 最小接触角

通过上式计算可得出：S水=0.00136，S海水=0.00270，S油=0.00377。由此可知，润湿性对摩擦系数的影响在油介质中最大，水介质中影响最小。

2.2 磨损表面分析

试验前后利用OLYMPUS OLS-3100奥林巴斯激光共聚焦电子显微镜观测摩擦表面，该显微镜以405 nm 短波长半导体激光为光源，通过显微镜内高精度扫描装置对试件表面的二维扫描，运用共聚焦，逐层获取试件表面二维图像和焦面的纵向空间坐标。经计算机处理，将各个焦面的显微图像叠加，获得试件表面的三维真实形貌。取2000目砂纸打磨的下试件为代表，取表面磨损较为严重的部分进行拍照扫描，在水、海水、油介质下试验前后的真实表面形貌如图7所示。

由图7可看出，在水介质中摩擦的下表面形成一条宽16.5 μm、深2.2 μm的犁沟；海水中的犁沟宽85 μm、深7.4 μm；油中的犁沟宽22 μm、深2.3 μm。犁沟的形成主要从两方面考虑：一是上试件表面微凸体对下试件表面直接“犁沟”作用，二是下试件被碰撞脱落掉的微凸体颗粒对表面产生的二次“犁沟”作用。从犁沟尺寸数据来看，海水最大，水比油小，但通过扫描的三维表面可以看出，在油介质中摩擦表面的犁沟两侧有2条“渠岸”，这是由于上试件微凸体对下试件表面进行犁沟作用的时候，下试件原始表面的材料被上试件微凸体挤压出来，从二维图像可以看出犁沟两侧并无明显碳纤维，由此可知在油介质中摩擦的表面除犁沟外的其他原始表面没有完全破坏。而水和海水介质中摩擦表面犁沟旁边并无明显渠岸，从二维图中可以看出表面的其他部分有不止一条的细小犁沟，并遍布碳纤维颗粒，这说明原始表面已被完全破坏，犁沟两侧的渠岸也被“磨平”。这是由于油比水更容易形成润滑膜，润滑膜的存在可以使摩擦副两表面的间隙更大，因此在油介质下摩擦时一些更细小的微凸体不会与摩擦表面发生直接接触，所以油介质下摩擦时犁沟数量也很少。且海水有一定的腐蚀性，由于磨损和腐蚀产生交互作用[25]，使得海水介质下磨损要比水介质下严重。

2.3 磨损量分析

通过试验前后对下试件的称重，相减得出磨损量，试验前后试件磨损量如图8所示。

磨损量的实质就是在摩擦过程中脱落掉的微凸体颗粒以及犁沟中被“犁”出材料，所以磨损量主要是在磨合阶段形成的。从图8可以看出，3种不同介质中，表面接触角越大，磨损量越小，这与图6所示摩擦系数图吻合，可以说明，表面接触角越大磨合阶段摩擦系数越小，磨损量越小。磨损量和润滑介质有关，一方面，润滑介质黏度越大，越容易形成润滑膜，润滑膜越厚，磨损量越小，当润滑膜厚到足以把两摩擦表面完全隔开，理论上此时磨损量将为0；另一方面，在黏度大小近乎相同的水和海水润滑介质下，由于海水具有一定的腐蚀性，海水润滑下由于磨损和腐蚀同时发生作用，导致海水润滑下磨损现象更加严重。油介质下磨损量最小，其中接表面触角为41.33°的试件磨损量最小，结合图7c、图7d，由于润滑油膜的存在，有效减少摩擦副两表面直接接触面积，从而减少表面被破坏的概率，但又因为油的黏滞性使得摩擦副滑动阻力变大，总的来说，油介质可以有效保护试件的寿命，但并不一定可以使效率更高。

图7 试验前后试件表面二维三维形貌图像

图8 试验后磨损量对比图

3 结论

(1) 此次所选材料的摩擦过程主要以磨粒磨损为主，一方面是SAF2507表面的微凸体对CFR/PEEK表面的“犁沟”作用，另一方面是由于摩擦表面的碰撞和挤压而脱落的磨屑对CFR/PEEK表面的二次“犁沟”作用；

(2) 选取黏度更大的液压油作为摩擦介质可以有效减少磨粒磨损现象，但也会因为黏度更大而增加摩擦阻力；

(3) 在水、海水和油介质润滑下，接触角最大的表面摩擦系数最小，磨损量最小。同种接触角在3种不同介质润滑下，油润滑磨损量最小，水介质下摩擦系数小于海水。在水、海水和油介质润滑下，通过改变润湿性来改善摩擦系数的试验中，油介质影响最大，水介质中影响最小。