耐磨高分子材料/鈦合金的粘接性能研究

辛存良，何世安

（中國電子科技集團公司第十六研究所，安徽 合肥 230043）

耐磨高分子材料/鈦合金的粘接性能研究

辛存良，何世安

（中國電子科技集團公司第十六研究所，安徽 合肥 230043）

選用耐磨高分子材料/鈦合金為摩擦副，分析了聚四氟乙烯、聚醚醚酮分別與鈦合金的摩擦試驗情況。根據不同的表面處理方法，探討了等離子清洗對耐磨高分子材料和鈦合金粘接性能的影響。研究了固化工藝對粘接樣件粘接性能的影響。結果表明，經等離子清洗后，80℃/8 h固化能夠使聚四氟乙烯/鈦合金粘接件的拉伸剪切強度達到2.6 MPa，同樣的固化工藝使聚醚醚酮/鈦合金粘接件的拉伸剪切強度達到了4.0 MPa。

摩擦系數；聚四氟乙烯；聚醚醚酮；鈦合金；剪切強度

耐磨高分子材料具有摩擦系數小、磨損量低、質輕、耐腐蝕、易于加工和自潤滑性能好等優點，已經引起廣泛關注[1]。鈦合金因其強度高、耐蝕性好和較高的熱穩定性等特點而被廣泛應用在軍事工業和民用工業的眾多領域。而耐磨高分子材料（如聚四氟乙烯）和鈦合金因表面活性低而不易粘接。考慮到耐磨高分子材料和鈦合金本身的優勢，可以很好地應用在航空、航天、機械、交通和船舶等各個領域，并能起到關鍵性的不可代替的作用，因此，針對2者的協同作用進行了研究。

本文選用的耐磨高分子材料為聚四氟乙烯和聚醚醚酮。聚四氟乙烯因其表面能特別低，為難粘材料[2]；而聚醚醚酮由于具有較低的磨損率，在低磨損材料中是最出眾的[3]。為了解決耐磨高分子材料和鈦合金不易粘接的問題，對粘接材料進行了表面處理分析，并研究了材料的粘接性能。

1 實驗部分

1.1 主要原料

聚四氟乙烯板、聚醚醚酮板：昆山市瑞力生塑膠材料有限公司；鈦合金板，無錫市德贏材料有限公司；環氧樹脂膠粘劑，三鍵化工（上海）有限公司；丙酮，市售。

1.2 儀器與設備

摩擦試驗機，MGW-02型，濟南益華摩擦學測試技術有限公司；材料試驗系統，M T S 8 1 0型，M T S S y s t e m s Corporation，USA；真空干燥箱，DZF-1B型，上海賀德實驗設備有限公司。

1.3 試樣制備

采用雙組分環氧樹脂膠粘劑，分別采用3種固化工藝條件進行固化：40 ℃/24 h、80℃/8 h和100 ℃/4 h；粘接試樣均按一定規格尺寸切割；聚四氟乙烯板和聚醚醚酮板分別進行超聲清洗和等離子處理；鈦合金板進行噴砂后再分別進行超聲清洗和等離子處理。試樣制備的流程圖見圖1。

圖1 試樣制備的流程圖Fig.1 Flow diagram of specimen preparation

1.4 性能測試

摩擦系數：采用摩擦試驗機在常溫條件下對摩擦樣件進行往復摩擦試驗，摩擦時長為8 h；

粘接性能：按照GB/T 7124—2008測試拉伸剪切強度。

2 結果與討論

2.1 摩擦性能

通過聚四氟乙烯、聚醚醚酮與鈦合金配對的摩擦副在摩擦試驗機上進行摩擦試驗，測定了2種耐磨高分子材料在與鈦合金配對摩擦副時的摩擦磨損情況，結果見圖2和圖3。由實驗結果可知，聚四氟乙烯在與鈦合金配對摩擦副具有很低的摩擦系數，為0.16，而聚醚醚酮的摩擦系數為0.43，高出聚四氟乙烯很多。從磨損量來看，聚四氟乙烯磨損較多，主要由于聚四氟乙烯本身結構中非結晶部分的結構容易滑動，在與金屬組成摩擦副時，很容易形成轉移膜，而且轉移膜在對偶摩擦面的附著力不好，很容易剝落，轉移膜在摩擦過程中不斷地形成、剝落，因此聚四氟乙烯的磨損量較大[2]。而聚醚醚酮很少出現這種現象。因此，聚四氟乙烯適用于低摩擦系數的工況條件，而聚醚醚酮更適合于低磨損的領域。

圖2 聚四氟乙烯/鈦合金摩擦副的摩擦試驗Fig.2 Friction test of PTFE/titanium alloy friction pair

圖3 聚醚醚酮/鈦合金摩擦副的摩擦試驗Fig.3 Friction test of PEEK/titanium alloy friction pair

2.2 表面處理對粘接性能的影響

本文對粘接試樣分別進行超聲清洗和等離子清洗。由于聚四氟乙烯很難粘接，因此在其表面處理后還進行了鈉萘溶液的表面活化處理。為了增加鈦合金表面的粗糙度，對鈦合金表面進行了噴砂處理，噴砂的粒徑為120目。

從剪切強度的測試結果可知，在超聲清洗的條件下，聚四氟乙烯/鈦合金粘接件的剪切強度為1.0 MPa，粘接件的破壞形式為界面破壞。而通過等離子清洗后的聚四氟乙烯/鈦合金粘接件的剪切強度為2.3 MPa，粘接面破壞形式為界面破壞和內聚破壞的混合破壞形式。通過對比發現，等離子清洗后的粘接件比超聲清洗后的粘接件具有更好的粘接性能，因為超聲清洗主要將樣件表面的油脂和污物清洗掉，而等離子清洗除了更徹底地將油脂和污物清洗掉之外，最主要的是通過等離子體的活性組分（包括離子、電子、活性基團、激發態的核素和光子等）可使表面活化。等離子清洗還具有良好的均勻性、重復性和可控性，所以清洗效果明顯[4]。

2種清洗方法對聚醚醚酮/鈦合金粘接件粘接性能的影響為：在超聲清洗的條件下，粘接件的剪切強度為1.5 MPa，破壞形式為界面破壞；在等離子清洗的條件下，粘接件的剪切強度可達3.8 MPa，破壞形式為界面破壞和內聚破壞的混合破壞形式。因此，等離子清洗更利于試樣粘接性能的提高。

2.3 固化工藝對粘接性能的影響

從表1可以看出，80 ℃/8 h固化粘接件的剪切強度最大，為2.6 MPa；而100 ℃/4 h固化剪切強度反而下降。可能是由于溫度過高，導致整個粘接面局部發生快速固化，一部分固化后的交聯點比較集中，而其他部分比較稀疏，表現出一定的脆性，在受力時容易發生脆性斷裂，因此粘接性能下降。粘接面的破壞形式是以界面破壞為主的混合破壞。

由表2可見，不同固化工藝對聚醚醚酮/鈦合金粘接件粘接性能的影響，和聚四氟乙烯/鈦合金粘接件類似。因此，80 ℃/8 h的固化工藝對于聚醚醚酮/鈦合金粘接件而言也是最佳的。

表1 固化工藝對聚四氟乙烯/鈦合金試樣粘接性能的影響Tab.1 Effect of curing process on bonding properties of PTFE/ titanium alloy

表2 固化工藝對聚醚醚酮/鈦合金試樣粘接性能的影響Tab.2 Effect of curing process on bonding properties of PEEK/ titanium alloy

3 結論

（1）通過聚四氟乙烯、聚醚醚酮分別與鈦合金進行的摩擦磨損試驗發現，聚四氟乙烯和聚醚醚酮分別適用于低摩擦和低磨損的工況使用要求。

（2）對比超聲清洗和等離子清洗2種表面處理方法，等離子處理更利于粘接性能的提高。

（3）比較不同固化工藝對耐磨高分子材料/鈦合金粘接件剪切強度的影響可知，80℃/8 h固化剪切強度最高。

[1]Friedrich K,Schlarb A K.Tribology of polymeric nanocomposites[M].UK:Elsevier Science,2008.

[2]黃麗,楊儒,郭江江,等.微米和納米SiO2改性聚四氟乙烯的摩擦磨損性能[J].復合材料學報,2004,21(4):82-86.

[3]Bijwe J,Sen S,Ghosh A.Influence of PTFE content in PEEK-PTFE blends on mechanical properties and tribo-performance in various wear modes[J].Wear,2005,258:1536-1542.

[4]唐娟,程凱,鐘明全,等.等離子清洗多層陶瓷外殼的研究[J].表面技術,2011,40(6):98-100.

Performance of adhesive bonding of wear-resistant polymer to titanium alloy

XIN Cun-liang, HE Shi-an
(The 16th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation, Hefei,Anhui 230043, China)

This paper selected the wear-resistant polymer and titanium alloy as friction pairs，and analyzed the friction test results of PTFE/titanium alloy and PEEK/titanium alloy.According to the different surface treatment methods, the influence of plasma cleaning and curing process on the bonding performance of wear-resistant polymer and titanium alloy was investigated.The results showed that the 80℃/8h curing process made the tensile shear strength of PTFE/titanium alloy reach 2.6 MPa, and the tensile shear strength of PEEK/titanium alloy reach 4.0 MPa.

friction coefficient;PTFE;PEEK;titanium alloy;shear strength

TG494

A

1001-5922（2015）04-0072-03

2014-08-21

辛存良（1988-），男，碩士，主要從事耐磨高分子材料的相關研究。E-mail：cunliangxin@163.com。