碳纤维peek复合材料的磨损性能研究

  聚醚醚酮(PEEK)具有优异的力学性能、耐热性、阻燃性、耐摩擦性、耐化学药品性等,同时还具有良好的加工性,易于注射成型、挤出成型、模压成型以及机械加工。作为聚芳醚酮(PAEK)中最重要的品种,PEEK被广泛应用于军事、航空航天、电子电气、汽车、医疗器械等领域,其中因其优异的耐摩擦性能,PEEK被用作自润滑减摩耐磨材料,制作的耐磨零部件,可以在无润滑、高温、潮湿和腐蚀等恶劣环境下取代传统的金属材料,得到广泛应用。

  研究人员研究了30%GF增强PEEK(PEEK/GF)复合材料与GCr15钢球在干摩擦条件下的摩擦磨损性能,试验条件为:载荷100,200和300N,摩擦磨损试验机主轴往复运动频率为2.6和10Hz,实验时间为20 min。结果表明,在2Hz频率下,PEEK/GF复合材料的摩擦系数随着载荷的增加而增大,在摩擦开始阶段,不同载荷条件下的摩擦系数急剧升高,随着摩擦继续进行,摩擦系数持续上升,当达到一定阶段后,摩擦进人动态平衡阶段,摩擦系数在一定范围内波动;在200N载荷下,PEEK/GF复合材料的摩擦系数随着频率的增加而增大,摩擦开始阶段,各频率条件下的摩擦系数急剧升高。随着对磨时间的增加,摩擦系数趋于平稳。

  PEEK/GF复合材料的磨损量随着载荷和频率的增大而增加,这是由于PEEK/GF复合材料具有黏弹性,随着载荷和频率的增加,摩擦过程中产生的热量增加,随着材料整体温度的升高,表层材料出现软化和塑性变形,材料抵抗剪切变形的能力下降,导致其可能发生粘着和材料转移磨损量增加的增加而增大,在摩擦开始阶段,不同载荷条件下的摩擦系数急剧升高,随着摩擦继续进行,摩擦系数持续上升,当达到一定阶段后,摩擦进人动态平衡阶段,摩擦系数在一定范围内波动;在200N载荷下,PEEK/GF复合材料的摩擦系数随着频率的增加而增大,摩擦开始阶段,各频率条件下的摩擦系数急剧升高;随着对磨时间的增加,摩擦系数趋于平稳。PEEK/GF复合材料的磨损量随着载荷和频率的增大而增加,这是由于PEEK/GF复合材料具有黏弹性,随着载荷和.频率的增加,摩擦过程中产生的热量增加,随着材料整体温度的升高,表层材料出现软化和塑性变形,材料抵抗剪切变形的能力下降,导致其可能发生粘着和材料转移,磨损量增加。

  研究结果表明,CF的添加量、长度和表面的氧化处理对PEEK/CF复合材料的摩擦磨损性能都有不同程度的影响,其中添加量的影响最为明显,表面氧化处理次之,纤维长度的影响最小。随着CF添加量增加,PEEK/CF复合材料的摩擦系数和磨损率先逐渐减小后又有上升,当CF的质量分数为15%时,摩擦系数和磨损率达到最小值,约为PEEK的1/8;表面氧化处理的PEEK/CF复合材料的摩擦系数和磨损率分别减小了0.01和0.5左右;较长的CF增强的PEEK复合材料的耐摩擦磨损性能更优越。研究结果表明,在短CF增强PEEK(PEEK/SCF)复合材料中,当SCF的长度为3-6 mm时,其力学性能及摩擦学性能优于SCF长度为1-3mm的PEEK/ SCF复合材料,SCF长度为3-6mm的PEEK/SCF复合材料的摩擦系数及磨损率均低于SCF长度为1-3mm的PEEK/SCF复合材料。

  通过纤维增强颗粒填充、高聚物共混等改性方法制备的PEEK复合材料的摩擦磨损性能得到了明显改善,多种填料共同改性PEEK树脂时,其摩擦磨损性能更加优越。随着耐磨PEEK复合材料性能的不断增加,其应用前景将越来越广阔。