不同注射温度和热处理对聚醚醚酮/碳纤维复合材料摩擦磨损性能的影响

Effects of Different Injection Temperatures and Heat Treatments on Friction and Wear Properties of PEEK/CF Composites

摘要

为了对聚醚醚酮（PEEK）的成型工艺进行优化，从而提高材料的耐磨损性能，并拓展其工业应用。以碳纤维（CF）为增强相，在不同注射温度条件下，制备了不同热处理工艺下的PEEK/CF复合材料。利用摩擦磨损试验机对复合材料的摩擦学性能进行测试，并利用X-射线衍射仪、白光干涉仪和扫描电子显微镜对材料进行表面分析和性能测试。结果表明：注射温度和热处理工艺对PEEK/CF复合材料的物相没有影响。随着注射温度的增加，样品表面的摩擦系数和磨损呈现出先减小后增大的趋势，而回火后样品的摩擦系数和磨损率更小。注射温度为175 ℃且回火后的材料，其摩擦系数最低，为0.091 4，磨损率最小，为0.106×10^-6 mm³/（N·m）。研究表明，合适的注射温度和热处理可以提高PEEK/CF复合材料的减磨耐磨性能。

关键词

聚醚醚酮 / 碳纤维 / 摩擦系数 / 磨损率

Key words

Polyetheretherketone / Carbon fiber / Friction coefficient / Minimum wear rate

聚醚醚酮(PEEK)是一种热塑性树脂，其密度小，具有优异的耐热性能、耐摩擦性能、耐腐蚀性能、良好的电绝缘性能和力学性能^[1-3]，被广泛用于汽车制造^[4-5]、航空材料及化学工业等领域^[6-7]。然而，推广PEEK材料实际工程应用仍然还需要解决一系列问题，例如加工工艺不稳定、与其他材料界面结合弱、抗磨性差、导热性低等问题^[8-10]。为了提高PEEK的耐磨性能，并扩大应用范围，需要对PEEK的成型进行优化。

目前，研究人员针对PEEK的改性方式主要包括表面改性（等离子体^[11-12]、湿化学法^[13-14]、辐射处理法^[15-16]）、共混改性（不同性能的树脂材料^[17-18]）和填充改性（纤维^[19-22]、纳米材料^[23-25]、石墨烯^[26-28]等）。填充改性可以利用复合效应改善PEEK的缺陷，在很大程度上提高材料的综合性能。MA等^[29]采用熔融复合和挤压工艺制备聚苯硫醚/聚醚醚酮(PPS/PEEK)复合材料，系统研究了多相共混物组成和工艺条件对PPS/PEEK共混物气体传质和细胞形态的影响，发现复合材料的拉伸强度随着PEEK含量的升高而增大。TENG等^[30]通过添加钛酸钾晶须(PTW)和玻璃纤维(GF)对10%聚四氟乙烯/聚醚醚酮(PTFE/PEEK)共混物进行改性，并研究了添加剂对混合物热稳定性、耐磨减摩性能、和流变行为的影响规律。XIE等^[31]在水润滑条件下，采用针盘结构开展了碳纤维(CF)和PTW增强PEEK复合材料在多种试验载荷下的摩擦磨损试验。结果表明：CF和PTW协同作用可有效提升复合材料的耐磨损性能。CF承担了接触面之间的主要载荷，并保护基体免受相应材料的进一步严重磨损。赵仕浩等^[32]制备了CF和PTFE共同改性的PEEK复合材料，并对不同模压工艺下制备的PEEK复合材料进行摩擦学行为和力学行为研究，发现制备的温度和保温时间对复合材料摩擦学行为和力学行为影响显著。制备温度和保温时间的增加，可提升复合材料的紧密性，从而增强复合材料的力学性能和摩擦学性能。

本实验在不同的注射温度条件下，制备了PEEK/CF复合材料，并对其进行相应回火处理，系统地研究了注射温度和热处理方式对复合材料摩擦学行为的影响规律，探讨了其磨损机理，并找到最佳的注射温度和热处理方式，为PEEK材料的应用提供支持。

1 实验部分

1.1 主要原料

碳纤维(CF)，T300，中国中钢集团有限公司；聚醚醚酮(PEEK)，工业级，长春吉大特塑工程研究有限公司。

1.2 仪器与设备

球磨机，QM-3SP2，南京南大仪器有限公司；注射机，TY-400，深圳德润机械公司；X射线衍射仪(XRD)，Bruker D8，布鲁克公司；多功能摩擦磨损试验机，MFT-5000，美国Rtec公司；白光干涉仪，MFP-D，美国Rtec公司；扫描电子显微镜(SEM)，EVO18，德国蔡司公司。

1.3 样品制备

利用物理共混-注塑成型法制备PEEK/CF复合材料。将CF和PEEK按质量比3∶7加入球磨机中进行搅拌；在80 ℃环境下进行干燥；利用注射机将干燥后混合粉末分别按照150、175和200 ℃注塑成型，获得不同注射温度的PEEK/CF复合材料。将冷却后的样品放到马弗炉中进行回火处理，回火工艺为145 ℃保温3 h后随炉冷却。

1.4 性能测试与表征

XRD测试：利用X射线衍射仪表征PEEK/CF复合材料的特征峰衍射角，进行物相分析。

摩擦磨损测试：球盘往复模式对PEEK/CF复合材料进行30 min摩擦磨损试验，对磨Si₃N₄小球的直径为9 mm，法向载荷50 N，频率2 Hz，Si₃N₄小球单次移动距离为5 mm。磨损后磨痕形貌通过白光干涉仪进行表征并计算出磨损率。

磨损率(W)的计算公式为：

W = \frac{V}{F\times S} = \frac{AL}{F\times S} (1)

式(1)中：V为磨损的体积，mm³；S为摩擦磨损试验过程中对磨小球移动距离，mm；F为摩擦磨损试验法向载荷，N；A为磨损界面的面积，mm²；L为磨痕长度，mm。

2 结果与讨论

2.1 表面物相分析

图1为不同注射温度(150、175、200 °C)和不同热处理（回火、未回火）后PEEK/CF复合材料的XRD谱图。从图1可以看出，试样在经过不同的注射温度和不同的热处理后都出现了4个较强的衍射峰，并且衍射峰位置相同，其2θ衍射角分别为18.71°、20.76°、22.81°和28.83°，分别对应 (110)、(111)、(200)和(211)^[33]。由此可知，注射温度的改变和加工成型的热处理并没有改变PEEK/CF复合材料的结晶状态。

2.2 摩擦系数分析

图2为不同注射温度和不同热处理下PEEK/CF复合材料的摩擦系数与时间的关系。从图2可以看出，不同注射温度和不同热处理对复合材料的摩擦系数均有影响。复合材料的摩擦系数随着注射温度的增加先减少后增加。未回火的复合材料的摩擦系数分别为0.302 9(150 ℃)、0.168 1(175 ℃)和0.250 8(200 ℃)。回火后的复合材料的摩擦系数分别为0.283 4(150 ℃)、0.091 4(175 ℃)和0.145 2(200 ℃)。在相同注射温度下，经过热处理的复合材料摩擦系数均小于未经过热处理的材料，表明热处理可以降低摩擦系数。

2.3 耐磨性分析

图3为不同注射温度和不同热处理下PEEK/CF复合材料的磨痕截面尺寸以及三维形貌图。

从图3可以看出，注射温度可显著影响复合材料的耐磨损性。磨痕深度随着注射温度的升高，先减小后加深。在注射温度为200 ℃的情况下，材料的磨损程度最为严重，最大磨痕深度可达37 μm，这基本是由于热氧化和热膨胀导致的复合材料变脆以及产生应力集中。热处理可以使复合材料的实验磨痕深度显著下降。在注射温度相同的情况下，150 ℃注射温度下，复合材料的磨痕深度降至19 μm。175 ℃注射温度下，复合材料的磨痕深度降至15 μm。200 ℃注射温度下，复合材料的磨痕深度降至13 μm，相比于其他实验组下降最为明显。由此可知，合理的热处理可以提升复合材料的耐磨性能。

图4为不同注射温度和不同热处理下PEEK/CF复合材料的磨损率。

从图4可以看出，注射温度和不同热处理对PEEK/CF的磨损率均有一定影响。无论是否回火处理，PEEK/CF的磨损率在175 ℃注射温度下最低，PEEK/CF耐磨损性能显著优于150 ℃和200 ℃条件下，基本呈现出先减小后增加的规律。在注射温度同为150 ℃情况下，回火材料相比于不回火材料磨损率下降43%左右；注射温度为175 ℃情况下，回火材料相比于不回火材料磨损率下降20%左右；注射温度为200 ℃情况下，磨损率下降66%左右，下降最为明显。在相同注射温度下，经过热处理的复合材料其磨损率都有不同程度的下降，表明热处理可以降低复合材料的磨损率。注射温度为175 ℃且回火后的样品的磨损率最低，为0.106×10^-6 mm³/(N·m)。

2.4 磨损表面形貌分析

图5为不同注射温度和不同热处理下PEEK/CF复合材料的磨痕SEM 照片。

从图5a1、图5b1、图5c1、图5d1、图5e1和图5f1（低倍图）可以看出，随着注射温度的升高，磨痕宽度先减小后增大，且回火后样品的磨痕宽度明显小于不回火样品。因为注射温度较低(150 ℃)时，制作的样品结晶度低，分子间的结合力低，结晶区物理交联作用弱，导致样品强度低，磨损严重。而注射温度在200 ℃时，由于超过PEEK玻璃化温度，复合材料内会发生玻璃化以及局部交联，结晶度下降，内部残余应力增加^[34-35]，导致复合材料耐磨损能力下降，如图5e1。这与图2、图3和图4的结果一致。

另外，摩擦磨损试验过程会在磨痕处产生热量，磨痕区的材料升温软化，易黏附在对磨小球上，形成黏着磨损，导致磨损体积增加^[36]，出现CF裸露和材料分层黏着的现象，如图5a2、图5a3、图5b2、图5b3、图5c2、图5c3、图5d2、图5d3、图5e2、图5e3、图5f2、图5f3所示。比较样品回火前后的磨痕形貌可以发现，回火后样品中的CF与周围材料的结合性更好，表面更光滑平整。因为经过回火热处理后，释放了复合材料内的残余应力，CF和PEEK间不会因为应力而分离，形成较好的界面结合。而较好的界面结合可以将应力传递到CF，从而起到增强效果，提升复合材料的耐磨损性能。

3 结论

注射温度和热处理工艺对PEEK/CF复合材料的物相没有影响。相比其他两个注射温度，样品表面的摩擦系数和磨损率在175 ℃注塑条件下最低。其中注射温度为175 ℃且回火后的材料，其摩擦系数最低为0.091 4，磨损率最小为0.106×10^-6 mm³/(N·m)。回火热处理可降低复合材料内残余应力，使得CF和PEEK间界面结合性能更好，应力更容易传递至CF，从而提高PEEK/CF复合材料的耐磨损性。

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基金资助

国家自然科学基金项目(51675232)

江苏省自然科学基金(BK20190611)