PTFE/PEEK机器人关节轴承材料的力学性能研究

Study on Mechanical Properties of PTFE/PEEK Materials for Robotic Joint Bearings

摘要

为了提高聚四氟乙烯（PTFE）/聚醚醚酮（PEEK）机器人关节轴承材料的力学性能，并为材料匹配合理的成型工艺，分别基于熔融沉积成型（FDM）工艺与热压烧结工艺制备PTFE/PEEK复合多孔材料，对材料进行热处理改性与力学性能测试。结果显示：同组分参数下，FDM工艺成型试样的孔隙率更高；热处理改性可以明显提高试样的力学性能，相比热压烧结试样，FDM工艺试样经热处理改性后力学性能的改善效果更加明显。热压烧结工艺成型的试样热处理改性后的抗拉强度提高约11.34%，而FDM工艺试样的抗拉强度则平均提高约18.94%。热处理改性各阶段对材料力学性能的影响机制和效果不同。热压烧结试样与FDM试样对应的最佳升温速率均为6 ℃/min，最佳保温温度均为220 ℃，而保温时间对各试样抗拉强度的影响较小。

Abstract

In order to enhance the mechanical properties of polytetrafluoroethylene (PTFE)/polyetheretherketone (PEEK) materials for robotic joint bearings and to match them with rational forming processes, PTFE/PEEK composite porous materials were prepared based on fused deposition mouldin (FDM) and hot-press sintering processes, respectively. The materials were then subjected to heat treatment modification and mechanical property testing. The results show that under the same component parameters, the porosity of the samples formed by the FDM process is higher. Heat treatment modification can significantly improve the mechanical properties of the samples. Compared with the hot-press sintered samples, the improvement in mechanical properties of the FDM-processed samples after heat treatment modification is more pronounced. After heat treatment modification, the tensile strength of the hot-press sintered samples increased by approximately 11.34%, while the tensile strength of the FDM samples increased by an average of about 18.94%. The impact mechanism and effect of heat treatment modification at different stages on the mechanical properties of the materials vary. For both hot-press sintered and FDM samples, the optimal heating rate is 6 ℃/min and the optimal holding temperature is 220 ℃. The holding time has a relatively minor impact on the tensile strength of each sample.

Graphical abstract

关键词

熔融沉积成型 / 热压烧结成型 / 聚醚醚酮 / 热处理改性 / 力学性能

Key words

Fused deposition mouldin / Hot-press sintering moulding / PEEK / Heat treatment modification / Mechanical properties

随着工业机器人在众多领域及场景中的应用持续拓展，人们对其控制精度和稳定性的要求也在不断提升^[1-3]。作为工业机器人的核心部件，关节轴承的承载能力和润滑性能是影响装备精度和稳定性的关键因素^[4-5]。近年来，研究人员致力于提升轴承组件的润滑性能，并取得显著成果。聚醚醚酮(PEEK)凭借高强度、良好的耐磨性及可加工性在特种工程塑料领域备受关注^[6-8]。将PEEK材料的高强度特性与聚四氟乙烯(PTFE)优良的摩擦学特性相结合，并在制备过程中形成可储油的多孔结构，可以制备摩擦学性能优异的轴承材料^[9-11]。WANG等^[12]为改善熔融沉积成型(FDM)PEEK材料层间结合性能差的缺陷，采用热处理工艺优化PEEK复合材料，采用单因素实验研究热处理温度和时间对打印试样力学性能的影响。结果表明：与未处理试样相比，热处理后的FDM成型PEEK复合材料强度可提高85%，这归因于结晶度的提高和界面原子键合强度的改善。YANG等^[13]对比研究了热处理前后的FDM成型PEEK材料的结晶度和力学性能(拉伸强度、弹性模量和断裂伸长率)，发现热处理在提升PEEK材料结晶度和力学性能方面潜力巨大。逄显娟等^[14-15]采用热压烧结工艺制备PEEK及其复合材料，并测试其力学性能。结果表明：随着烧结温度的升高，PEEK材料的硬度略有增加，350 ℃时复合材料的抗拉强度最佳。

然而，目前基于FDM工艺制备PTFE/PEEK多孔复合材料的相关研究较为少见。将热处理改性工艺引入PTFE/PEEK多孔材料的FDM成型中有望进一步提升多孔材料的力学性能。此外，基于FDM和热压烧结两大主流成型工艺制备的试样结构存在差异，热处理改性对于材料力学性能的改善机制也有所不同^[16-17]，目前关于对比研究热处理改性对不同工艺成型试样力学性能改善机制的文献较少。本研究聚焦制备工艺，采用FDM和热压烧结工艺制备成分参数相同的PTFE/PEEK复合材料，深入探究热处理改性对不同工艺试样力学性能的改善效果。具体而言，将热处理过程分为升温、保温等阶段，利用单因素试验深入剖析热处理各阶段对不同材料的改性机制，以期为PTFE/PEEK制备工艺选择及热处理改性参数优化提供参考。

1 实验部分

1.1 主要原料

PEEK，PEEK704，英国威格斯公司；PTFE，JF-40，浙江巨化集团有限公司；NaCl，分析纯，上海麦克林生化科技有限公司。

1.2 仪器与设备

双螺杆挤出机，HK-MT，南京科亚化工成套装备有限公司；行星式球磨机，DECO-PBM-20L，长沙市德科仪器设备有限公司；真空热压烧结炉，JR-TZ-50X50X70，湖南烯瑞自动化设备有限公司；FDM快速成型机，ENGINEER-450，陕西聚高增材智造科技发展有限公司；电子万能试验机，UTM5305，深圳三思纵横科技股份有限公司；扫描电子显微镜(SEM)，JSM-7610 Plus，日本电子株式会社；压汞仪，PoreMaster 60，Anton Paar公司。

1.3 样品制备

表1为PTFE/PEEK复合材料的配方。

热压烧结工艺：首先按照表1配方称取相应质量的粉末，并将粉末置于恒温干燥箱中，在120 ℃下干燥2 h。之后取出混匀2 h，为避免造孔剂潮解，将材料再次置于干燥箱中。为保证复合材料试样顺利脱模，提前将石墨纸垫于模具内表面、垫片与压头接触面、复合粉材与垫片接触面，升温至设定温度后保温30 min，压力保持为13 MPa，最后随炉冷却至室温，制得PTFE/PEEK多孔复合材料。

FDM工艺：原材料的称取及混匀方案与热压烧结工艺中保持一致，之后采用挤丝工艺制备丝材，丝材直径为(1.75±0.01) mm，打印喷嘴温度420 ℃，打印层厚0.3 mm，打印速度30 mm/s，填充率100%，喷嘴直径0.8 mm，制得PTFE/PEEK多孔复合材料。

为探究热处理改性对材料力学性能的影响，对不同工艺制备的材料进行改性处理。改性工艺参数中，升温速率、保温温度及保温时间是影响材料性能的关键参数。用铝箔包覆试样置于烘箱中，设置升温速率为8 ℃/min，保温温度为200 ℃，保温时间为100 min，取出后自然冷却，制得经热处理改性后PTFE/PEEK多孔复合材料。为保证试验的可对照性，1#～5#试样的热处理参数均保持一致。为进一步探究热处理对材料的改性机制，改变改性参数以探究热处理试样力学性能的变化规律。参数设置如下：以2 ℃/min为梯度设置介于6~12 ℃/min区间内的升温速率；以5 ℃为梯度设置介于200~220 ℃区间内的保温温度；以10 min为梯度设置介于100~130 min区间内的保温时间。

用蒸馏水以超声水洗的方式去除PTFE/PEEK复合材料中的造孔剂，每隔2 h更换蒸馏水。为保证造孔剂的充分去除，整个烘干流程不低于12 h。

1.4 性能测试与表征

力学性能测试：采用电子万能试验机对两种工艺成型的试样进行测试，按照 GB/T 1040.1—2018对试样的抗拉性能进行测试，按照GB/T 1041—2008对试样的抗压性能进行测试，每组数据均取5个试样的平均值。样品尺寸均参照上述国家标准执行。

SEM测试：采用场发射扫描电子显微镜对试样断口形貌进行表征。由于试样本身导电性较差，表征前对试样喷金处理。

2 结果与讨论

2.1 PTFE/PEEK复合材料的孔隙率

孔隙率测试是表征多孔试样内部孔隙密度的有效手段。由于1#试样内部为致密结构，仅采用压汞仪测试2#~5#的孔隙率。图1为不同工艺条件下PTFE/PEEK复合材料的孔隙率。从图1可以看出，不同组分参数下，热压烧结工艺与FDM工艺对应的孔隙率变化规律基本一致，但FDM工艺PTFE/PEEK复合材料的孔隙率普遍高于热压烧结工艺。这主要是因为热压烧结工艺在制备过程中引入较高的压力，从而提高了复合材料的密实度，闭合孔隙产生概率更高，不利于造孔剂的去除与孔隙的形成，导致材料孔隙率偏低。

2.2 热处理改性前后PTFE/PEEK复合材料的力学性能

2.2.1 抗拉强度

图2为改性前后不同工艺PTFE/PEEK复合材料的抗拉强度。从图2可以看出，热压烧结工艺制备的PTFE/PEEK多孔复合材料的抗拉强度更高；热处理改性可以有效提升材料的抗拉强度，从而提升承载能力。相比热压烧结试样，FDM工艺试样经热处理改性后，材料抗拉性能的改善效果更加明显。热压烧结工艺成型试样热处理改性后材料的抗拉强度平均提高约11.34%，而FDM工艺成型试样的抗拉强度则平均提高约18.94%。这主要是因为热处理改性通过提升材料表层结晶程度以改善其力学性能^[18-20]，而热压烧结工艺材料表层的初始结晶程度优于FDM，因此其改善效果相比FDM工艺试样略低。

2.2.2 抗压强度

图3为改性前后不同工艺PTFE/PEEK复合材料的抗压强度。从图3可以看出，热压烧结工艺制备的PTFE/PEEK多孔复合材料的抗拉强度更高；热处理改性可以有效提升材料的抗压强度，且热处理改性对FDM成型试样抗压强度的影响程度更为明显。

2.2.3 断口形貌

为了验证热处理改性对材料力学性能的影响，以FDM成型试样为例，采用扫描电子显微镜对不同试样的断口形貌进行表征。图4为未经改性FDM工艺试样的SEM照片，图5为热处理改性后FDM工艺试样的SEM照片。从图4和图5可以看出，热处理改性后材料的致密度更高，热处理改性对FDM成型试样力学性能的提升高于热压烧结工艺成型试样，且对2#试样改性可以最大限度地优化多孔材料的力学性能。这一结果可以从一定程度上印证材料结晶程度提高，进而提高其抗拉和抗压强度。此外，热处理改性后材料的断口形貌更加平整，说明热处理改性在一定程度上提高了材料的脆性^[21-23]。综上所述，热处理改性可以在一定程度上改善材料的力学性能，其改善程度受材料自身成型工艺的影响。

2.2.4 热处理工艺优化

为进一步研究热处理改性各阶段(升温、保温及冷却)对材料力学性能的改善机制，探究最优的热处理改性工艺参数，采用单因素实验探究升温速率、保温温度、保温时间等改性参数对PTFE/PEEK多孔复合材料抗拉强度的影响规律及内在机理。

(1)升温速率。

升温速率作为热处理改性的核心工艺参数，能够直接影响材料的改性效果。图6为不同升温速率下的FDM试样的抗拉强度，图7为不同升温速率下的热压烧结成型试样的抗拉强度。从图6和图7可以看出，热压烧结工艺与FDM工艺对应的最佳升温速率均为6 ℃/min。有研究表明，较低的升温速率不仅可以提高材料的结晶程度，还有利于释放试样成型过程中积累的位错，降低内应力，从而在一定程度上提高力学性能^[24]。

(2)保温温度。

保温温度对应材料的热处理温度，同时也是影响其改性效果的关键指标。图8为不同保温温度下的FDM试样的抗拉强度，图9为不同保温温度下的热压烧结成型试样的抗拉强度。从图8和图9可以看出，随着保温温度的升高，各试样的抗拉强度逐渐提高，两种工艺的最佳保温温度均为220 ℃。这说明在合理范围内，较高的温度更有利于材料的再结晶。

(3)保温时间。

图10为不同保温时间下的FDM试样的抗拉强度，图11为不同保温时间下的热压烧结成型试样的抗拉强度。从图10和图11可以看出，保温时间对各试样抗拉强度的影响较小。这是由于当改性环境升至一定温度时，再结晶和内应力的释放均在很短的时间内进行^[25-27]，所以在固定温度下保温较长时间的意义不大。

综上所述，不同热处理改性条件对于材料力学性能的影响机制及程度不同。热压烧结工艺制备的多孔试样的力学性能普遍高于FDM工艺成型试样。这是因为热压烧结工艺成型过程中引入较高的压力，致密试样的密度更高，多孔试样孔壁强度也更高。但前文中也提到，压力的引入不利于孔隙的形成，制约了多孔材料内部孔隙结构的合理构建。因此，应根据服役要求选择对应的制备工艺。

3 结论

由于热压烧结工艺引入了成型压力，同组分参数下，FDM工艺PTFE/PEEK多孔复合材料的孔隙率更高。经抗拉、抗压强度测试，热压烧结工艺制备的PTFE/PEEK多孔复合材料力学性能更高。热处理改性对FDM工艺成型试样力学性能的改善程度明显高于热压烧结工艺，这是因为热压烧结工艺PTFE/PEEK多孔复合材料初始结晶度更高。不同热处理改性条件对材料力学性能的影响机制和效果不同：热压烧结工艺与FDM工艺对应的最佳升温速率均为6 ℃/min；在合理范围内，越高的热处理温度越有利于材料的再结晶，两种工艺的最佳保温温度均为220 ℃；由于改性往往在较短的时间内完成，保温时间对各试样的抗拉强度影响较小。

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基金资助

河南省教育部产学合作协同育人项目(202102257007)

河南省一流本科课程(豫教〔2022〕38696)

河南省教育部产学合作协同育人项目(23080036719428)

河南省科技攻关项目(242102220018)