聚醚醚酮/聚四氟乙烯復(fù)合水潤滑軸承材料性能研究

楚婷婷，李媛媛，孫小波，時連衛(wèi)

(洛陽軸研科技股份有限公司，河南 洛陽 471039)

水潤滑軸承中應(yīng)用較多的塑料材料包括聚酰胺、聚四氟乙烯、超高分子量聚乙烯、酚醛樹脂等，但普遍存在耐熱性差、易吸水及不耐水解等缺點。聚醚醚酮(PEEK)是一種耐高溫?zé)崴苄愿呔畚铮哂辛W(xué)強(qiáng)度高、耐熱、易加工、耐磨、自潤滑等特點，尤其是吸水率小，耐水解性能優(yōu)異，可在300 ℃蒸汽環(huán)境中使用。在溫度超過250 ℃的蒸汽或高壓水浸泡條件下，仍然可以持續(xù)工作數(shù)千小時而不出現(xiàn)明顯的性能下降[1]，故更適合用作水潤滑軸承的基材。

單一PEEK用于水介質(zhì)工況時，雖然在強(qiáng)度、硬度、耐磨性等方面表現(xiàn)出很好的特性，但其干摩擦因數(shù)大，自潤滑性能并不十分理想，因此必須通過共混改性，在滿足材料力學(xué)性能和耐磨性的基礎(chǔ)上進(jìn)一步降低PEEK的摩擦因子。聚四氟乙烯(PTFE)是一種常用的潤滑改性材料，共混改性PEEK制得的復(fù)合材料既能保留PEEK的力學(xué)性能、耐熱、耐水解及耐磨特性，又能顯著降低其摩擦因數(shù)，延長軸承壽命。

下文以PEEK為基材，以PTFE為潤滑共混材料，在材料力學(xué)性能滿足水潤滑軸承材料要求的基礎(chǔ)上，重點改進(jìn)PEEK/PTFE復(fù)合材料的減摩自潤滑性，并研究PTFE添加量對PEEK拉伸強(qiáng)度、邵氏硬度、摩擦因數(shù)和磨損量的影響，確定PTFE的最佳添加量。

1 試驗

1.1 復(fù)合材料的制備

PEEK模塑粉密度1.32 g/cm3，100目；PTFE模塑粉密度2.17 g/cm3。

將PEEK置于150 ℃烘箱中干燥3 h后取出，冷卻密封備用。將適量PEEK和PTFE粉置于高速攪拌機(jī)中混合均勻，然后置于20倍顯微鏡下進(jìn)行觀察，若無明顯色差即為合格。采用熱模壓成型工藝制備PEEK/PTFE復(fù)合材料，其制作流程為：過篩→干燥→混料→裝料→熱壓→脫膜。

1.2 性能測試

(1)采用200F3型差示掃描量熱儀分析復(fù)合材料的相容性，吹掃氣和保護(hù)氣均為高純氮氣，流量分別為20 和70 mL/min，升溫速度為10 ℃/min。

(2)采用DNS-200型電子萬能試驗機(jī)測試PEEK/PTFE復(fù)合材料的環(huán)狀拉伸強(qiáng)度，拉伸速度為5 mm/min。

(3)采用V-SD型邵氏硬度計測定材料硬度。

(4)用CFT-1型表面性能測量儀測定PEEK/PTFE復(fù)合材料的摩擦磨損性能，測試條件：往復(fù)干摩擦，直徑3 mm對磨鋼球，頻率20 Hz，時間60 min。

2 結(jié)果與分析

2.1 相容性

混合物中晶區(qū)的相容性可以用DSC(差示掃描量熱儀記錄到的曲線稱DSC曲線)考察。高聚物DSC曲線所表現(xiàn)的熔點Tm及熔融峰是高聚物有序結(jié)構(gòu)的直接反應(yīng)，熔點Tm依高聚物本身的性質(zhì)而異，若混合物中晶區(qū)不相容，則不同組分相應(yīng)地出現(xiàn)各自的熔融峰[2-4]。PEEK/PTFE復(fù)合材料的DSC曲線如圖1所示。從圖中可以看出，隨著PTFE的添加，PEEK的峰寬、峰高及熔點無明顯變化(在DSC曲線中，若2種物質(zhì)混合后熔融峰相互靠近，或變成一個新的熔融峰，說明相容性好)。與純PEEK相比，復(fù)合材料逐漸出現(xiàn)2個熔融峰，且熔融峰位置分別與純PEEK、純PTFE的熔融峰接近，未發(fā)現(xiàn)新的熔融峰，這說明在PEEK/PTFE共混體系中，2組分呈現(xiàn)各自的熔點，分別結(jié)晶，相容性不是很好。

圖1 PEEK/PTFE復(fù)合材料的DSC曲線

共混時相容性是決定復(fù)合材料力學(xué)性能的重要因素。若基體材料與填充相之間相容性良好，則兩者之間無明顯界面，粘結(jié)牢固；反之則兩相間界面明顯，結(jié)合較差，受力時基體材料與填充相在界面處容易發(fā)生滑移和脫開。因此為確保材料具有較高的力學(xué)性能，PTFE的添加量不宜過大，后續(xù)試驗中PTFE的最大添加量為20%。

2.2 拉伸強(qiáng)度

PTFE添加量對PEEK/PTFE復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度的影響見表1。由表可知，隨著PTFE添加量的增大，復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度有所減小。對于復(fù)合材料，拉伸強(qiáng)度與材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，DSC結(jié)果表明PEEK與PTFE之間相容性不是很好，會導(dǎo)致材料的拉伸強(qiáng)度降低。模壓燒結(jié)后，PTFE與PEEK之間并沒有形成化學(xué)鍵，也無其他作用力將其連接在一起，導(dǎo)致所形成復(fù)合材料的內(nèi)部存在缺陷，容易引起應(yīng)力集中，從而降低了材料的拉伸強(qiáng)度[5]。但當(dāng)PTFE添加量不超過10%時，復(fù)合材料仍具有較高的拉伸強(qiáng)度，完全滿足水潤滑軸承對材料拉伸強(qiáng)度的影響[6]。

表1 PTFE添加量對復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度的影響

2.3 硬度

添加PTFE后PEEK/PTFE復(fù)合材料的硬度變化規(guī)律見表2。由表可知，由于PTFE硬度較小，自身承載能力較差，隨著PTFE添加量的增大，復(fù)合材料的邵氏硬度逐漸減小，但其硬度仍超過美國國防部頒布的MIL-B-17901B(船舶)軍用標(biāo)準(zhǔn)[6]，滿足水潤滑軸承材料的硬度要求。

表2 PTFE添加量對復(fù)合材料邵氏硬度的影響

2.4 摩擦學(xué)性能

由表3可知，隨著PTFE含量的增加，PEEK/PTFE復(fù)合材料的磨損量變化不大。當(dāng)PTFE添加量為5%時，復(fù)合材料的磨損量為0.072 mm3，具有較好的耐磨性。

表3 PTFE添加量對復(fù)合材料摩擦性能的影響

同時，隨著PTFE添加量的增大，復(fù)合材料的摩擦因數(shù)變小。加入5%的PTFE后，復(fù)合材料摩擦因數(shù)較純PEEK下降了55.6%,減摩效果顯著。隨著PTFE添加量的繼續(xù)增大，復(fù)合材料摩擦因數(shù)的下降趨勢變緩。這是由于PTFE具有螺旋形結(jié)構(gòu)，材料本身具有非常小的摩擦因數(shù)。同時，由于PEEK硬度較大，表面的凸起會形成與對磨鋼球的刮擦與犁削作用，而加入PTFE后，隨著摩擦的進(jìn)行，PTFE在材料接觸表面形成一層轉(zhuǎn)移膜，可以減小犁削作用[7]。因此，當(dāng)PTFE添加量為5%時既能最大程度地保留原材料優(yōu)異的力學(xué)性能，又能顯著提高材料的減摩能力。

2.5 討論

對于水潤滑軸承而言，潤滑液膜的承載能力與潤滑劑黏度成正比，與膜厚的平方成反比；由于水是一種低黏度液體，水潤滑軸承承載能力比較低，有可能在非流體潤滑工況下工作，發(fā)生無水潤滑和干摩擦。因此，水潤滑軸承材料的自潤滑摩擦學(xué)性能是決定其工作性能和使用壽命的一個重要因素。

由試驗結(jié)果可知，加入PTFE后，PEEK/PTFE復(fù)合材料的摩擦因數(shù)顯著降低，自潤滑性能得到極大改善，且當(dāng)PTFE添加量不太大時，復(fù)合材料的力學(xué)性能及耐磨性依然保持較高的水平。尤其是當(dāng)PTFE添加量為5%時，復(fù)合材料自潤滑性能改善明顯，材料摩擦因數(shù)與純PEEK相比下降了55.6%，而拉伸強(qiáng)度、邵氏硬度、耐磨性等指標(biāo)仍處于較高水平。

當(dāng)繼續(xù)增大PTFE添加量時，摩擦因數(shù)改變不明顯，但材料力學(xué)性能及耐磨性有一定程度的降低。綜合考慮，在PEEK中添加5% PTFE制得的PEEK/PTFE復(fù)合材料摩擦因數(shù)較小，利于延長壽命；同時又具有較高的力學(xué)強(qiáng)度，其綜合性能可達(dá)到或超過美國國防部頒布的MIL-B-17901B(船舶)軍用標(biāo)準(zhǔn)，可廣泛應(yīng)用于長壽命水潤滑軸承。

3 結(jié)論

(1)在PEEK中添加PTFE可以有效降低復(fù)合材料的摩擦因數(shù)，延長軸承使用壽命。

(2)當(dāng)PTFE添加量為5%時，共混改性PEEK制得的復(fù)合材料既保留了PEEK的力學(xué)性能、耐磨特性，又能顯著降低其摩擦因數(shù)，延長使用壽命，具有最優(yōu)的綜合性能；且與常規(guī)軸承水潤滑材料相比，具有耐熱性好、不易吸水、耐水解等優(yōu)點，是一種性能優(yōu)異的水潤滑軸承候選材料。

(3)PEEK與PTFE的相容性不是很好，故PTFE添加量不宜過大。