仿生多孔润滑耐磨CF∕PTFE∕PEEK复合材料的设计及其摩擦学性能.pdf

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仿生多孔润滑耐磨CF∕PTFE∕PEEK复合材料的设计及其摩擦学性能1 仿生多孔润滑耐磨CF∕PTFE∕PEEK复合材料的设计及其摩擦学性能2 仿生多孔润滑耐磨CF∕PTFE∕PEEK复合材料的设计及其摩擦学性能3 仿生多孔润滑耐磨CF∕PTFE∕PEEK复合材料的设计及其摩擦学性能4 仿生多孔润滑耐磨CF∕PTFE∕PEEK复合材料的设计及其摩擦学性能5 仿生多孔润滑耐磨CF∕PTFE∕PEEK复合材料的设计及其摩擦学性能6
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仿生多孔润滑耐磨cF/PTFE/PEEK复合材料的设计及其摩擦学性能45仿生多孑L润滑耐磨CF/PTFE/PEEK复合材料的设计及其摩擦学性能BiomimeticDesignandTribologicalPropertiesof—PorousLubricatingWearresistanceCF/PTFE/PEEKComposite汪怀远,林珊,张帅,杨淑慧,朱艳吉(东北石油大学化学化工学院,黑龙江大庆163318)—WANGHuaiyuan,LINShan,ZHANGShuai,YANGShu-hui,ZHUYan-ji(CollegeofChemistryandChemicalEngineering,NortheastPetroleumUniversity,Daqing163318,Heilongjiang,China)摘要:采用模压一滤取和高温真空熔渍工艺制备了自身发汗式润滑耐磨多孔CF/PTFE/PEEK复合材料。考察了造孔剂(Nac1)、PTFE的含量及炭纤维层间间距对多孔PEEK复合材料结构和摩擦学性能的影响。结果表明,当PTFE含量为2O(质量分数,下同)、NaC1为3O、炭纤维层问间距为0.4mm所得多孔CF/PTFE/PEEK复合材料摩擦因数和磨损率最低,200N下摩擦因数、磨损率分别为0.0192,3.47×10rn。/Nm,较经典CF/PEEK复合材料摩擦因数降低了9倍,耐磨性提高了25倍。原因在于复合材料中PTFE能形成连续的转移膜,降低了材料摩擦因数;NaC1形成的多孑L结构能储存住一定润滑油脂,摩擦过程中在载荷和温度的作用下能形成稳定润滑油膜,明显降低了材料磨损量;炭纤维布起到支撑骨架作用,并协同PTFE,NaCI提高多孔PEEK复合材料摩擦磨损性能。关键词:聚醚醚酮;炭纤维布;多孔复合材料;发汗润滑;摩擦磨损—doi:10.11868/j.issn.10014381.2014.06.009中图分类号:TQ327文献标识码:A———文章编号:10014381(2014)06004506——Abstract:Usingmoldedleachingandhightemperaturevacuummeltingtechnologies,theselfsweating——lubricationwearresistanceporousCF/PTFE/PEEKcompositeswereprepared.Theeffectsofporo—gen(NaC1).PTFEcontentandthedistancebetweeneachoftwoCFlayersonporousPEEKcompositematerialstructureandtribologicalbehaviorwereinvestigated.TheresultsshowthattheporousCF/PTFE/PEEKcompositemateria1contains2O(massfraction,thesamebelow)PTFE,30%NaC1andthedistancebetweentwoCFlayersof0.4mmhasthelowestfrictioncoefficientandwearrate.Whenloadis200N,comparingwithclassicCF/PEEKcomposites,thefrictioncoefficientofthe—porousCF/PTFE/PEEKcompositedecreases9timesandwearresistanceincreasedby25times.PTFEintheporouscompositescanformcontinuoustransferfilmswhichreducethefrictioncoefficient,andtheporousstructurecanstorecertainlubricantgreasewhichresultsinstablelubricatingoilfilmduringsliding.Thereby,abovementionedadvantagessignificantlyreducethefrictionandwearrateofporoussweatingcomposite.Inaddition,thecarbonfiberclothshowstheroleofskeletonsupporting—effect,andalsocooperatingwithPTFE。NaCltoimprovethewearresistanceofporousPEEKcompositemateria1.Keywords:polyetheretherketone;carbonfiberlayer;porouscomposite;sweatinglubrication;frictionandwear聚合物基复合材料广泛用于无油润滑(干摩擦条件)、水润滑等滑动部件中,取代了传统金属材料成为一类新型的润滑耐磨材料。PEEK是一种耐高温热塑性塑料,具有高强度、高模量、耐水解、高断裂韧性以及优良的尺寸稳定性,特别是其突出的耐热性能、化学稳定性、耐磨性能。由于PEEK独特的性能,使其在航空航天、汽车制造、精密仪器仪表等方面具有广泛的应用,开发利用前景十分广阔3。46材料工程/2014年6期然而,纯PEEK摩擦因数偏高、导热困难、聚热严重,容易引起材料过早失效,无法适应较高速率、较大载荷工况下的使用。为了使它能在苛刻条件下广泛应用,需对PEEK进行填充改性。PTFE是一种良好的固体润滑剂,摩擦因数低且与聚合物有较好的亲和力,所以将它填充到聚合物中,能够显著改善材料的摩擦磨损性能]。而多孔聚合物材料是将多孔材料与聚合物功能性相结合,然后将自润滑油脂浸渍进入该孔结构中,在摩擦热的作用下对摩擦表面实现自润滑作用,起到减摩抗磨目的[7]。纤维具有较高的比强度、比模量,兼具承载能力及耐磨性,在提高材料耐磨性能方面,纤维是公认的优良增强材料L。川。PEEK具有类似于金属的力学强度[1,适合作为多孔复合材料的基体。本工作综合上述材料性能特点,从摩擦学设计角度出发,设计制备了减摩耐磨、增强型多孔发汗PEEK复合材料,并向其孔中注入润滑油脂,制成了多孔发汗式自润滑耐磨复合材料。考察了PTFE,NaC1含量及CF层间间距对复合材料耐磨性能的影响,并采用SEM对复合材料的微观结构进行了观察分析。本工作具有广阔应用前景,也为高性能仿生减摩耐磨聚合物复合材料的设计和开发提供了参考意义。1实验1.1主要原料及多孔复合材料的制备1.1.1原料PEEK模压粉,平均粒径150/zm,吉大高科提供;聚四氟乙烯(PTFE),平均粒径25m,杜邦产;炭纤维布(200g型号,日本东丽);NaC1(食品级),平均粒径109 ̄m,自制;通用锂基脂,哈尔滨华润提供。1.1.2多孔复合材料的制备℃PEEK,PTFE,NaC1,炭纤维布在120下预干燥2h,将PEEK,PTFE,NaCI按一定比例高速搅拌形成£z三皂未共混粉体,再将炭纤维布在模具中以层铺的方法与共混粉体进行铺设,然后模压成型得到复合材料模压件。模压件通过热处理、机械加工(内外半径等),滤取造孔剂形成具有一定孔隙率的多孔复合材料,最后用润滑脂真空热熔浸渍得到多孔自润滑复合材料。1.2性能测试采用MPX一200型盘销式摩擦磨损试验机双环接触形式考察复合材料的摩擦学性能。实验条件:载荷100,200N,滑动速率1.4m/s,实验周期120min。每种试样重复进行3次摩擦磨损实验,取3次测量结果的平均值作为最终结果。摩擦因数由摩擦力矩经过计算获得,实验前后样环的磨损量(精确到0.1mg)采用FA2004N型电子分析天平称量。摩擦表面温度由TI130非接触式红外测温仪测得。孔隙率(P)通过以下公式计算得到:P一(1)lD式中:P为实际密度;P。为理论密度。采用QUANTA一200型扫描电子显微镜(SEM)分析复合材料磨损面、切断面、对偶面的形貌。2实验结果与讨论2.1PTFE含量对PEEK复合材料摩擦磨损性能影响图1为PTFE含量对PEEK复合材料摩擦磨损性能影响示意图。如图1所示,随PTFE含量增加,PEEK复合材料摩擦因数、磨损率先减小后增大。200N载荷时,当PTFE含量为2O(质量分数,下同)时,PEEK复合材料摩擦因数、磨损率及磨损面的温度最小。在摩擦过程中,随PTFE含量增加,PTFE在对偶面形成连续转移膜(见图7(b)),起到自润滑作用,降低了PEEK复合材料摩擦因数。而当PTFE过量时,PTFE抗磨能力差,会脱落成磨屑,破坏原已在对MassfractionofPTFE/%图1在不同载荷下PTFE含量对PEEK复合材料摩擦因数(a)和磨损率(b)的影响Fig.1EffectofPTFEcontentonthefrictioncoefficient(a)andwearrate(b)ofPEEKself-lubricatingcompositematerialsunderdifferentloads、8蛋0彗董&善__50材料工程/2014年6期为0.4ram时,所得多孔CF/PTFE/PEEK复合材料摩擦因数和磨损率最低,2OON下摩擦因数和磨损率可低至o.0192和3.47×10/Nm。获得的多孔CF/PTFE/PEEK复合材料与纯PEEK干摩擦相比,耐磨性提高了979倍,较经典CF/PEEK复合材料其耐磨性还提高了25倍,显示出优异的自润滑和耐磨性能。(2)对于多孔CF/PTFE/PEEK复合材料,微孔中的润滑脂在载荷和温度作用下向摩擦面扩散,形成了稳定润滑油膜,降低了材料摩擦因数和磨损率。CF布在复合材料中有序排列,不仅起到支撑骨架作用,而且还起到协同耐磨作用。本研究设计的多孔发汗式PEEK复合材料具有很好的摩擦磨损性能,解决了PEEK材料在实际应用过程中的热积累问题。参考文献[1]PEIXQ,FRIEDRICHK.SlidingwearpropertiesofPEEK,PBI——andPPP[J].Wear,2012,274275(27):452455.E2]TANGQG,CHENJT,LIULP.TribologiealbehavioursofcarbonfibrereinforcedPEEKslidingonsiliconnitridelubricated——withwater[J].Wear,2010,269(78):541546.—[33WANGHY,ZHUYJ,FENGX,eta1.Theeffectofself-assemblymodifiedpotassiumtitanatewhiskersonthefrictionand—wearbehaviorsofPEEKcomposites[J].Wear,2010,269(1—2):139144.[4]BRISCOEBJ,YAOLH,STOLARSKITA.Thefrictionand——wearofPTFEPEEKcomposites:aninitialappraisaloftheopti—mumcomposition[J].Wear,1986,108(4):357374.[5]LUzP,FRIEDRICHK.OnslidingfrictionandwearofPEEK——anditscompositesEJ].Wear,1995,181183(2):624631.—r6]FERNANDEZRE,MINONDOI,GARCIACD.TheeffectivenessofPTFEnanopartielepowderasanEPadditivetomineral——baseoilsEJ].Wear,2007,262(1112):13991406.—[7]WANGYJ,LIUzM.Tribologicalpropertiesofhightempera—turese1f_lubricationmeta1ceramicswithaninterpenetratingnet——work[J].wear,2008,265(1112):17201726.E83WONGJCH,TERVOORTE,BusATOs,eta1.Controllingphasedistributionsinmacroporouscompositematerialsthrough——particlestabilizedfoams[J].Langmuir,2011,27(7):32543260.-[9]GEBHARDA,BAYERLT,sCHLARBAK,eta1.Increased—wearofaqueouslubricatedshortcarbonfiberreinforcedpolyetheretherket0ne(PEEK/SCF)compositesduetogalvanicfiber——corrosion[J].wear,2010,268(78):871876.—[1O]SURESHA,HARSHAAP,GHOSHMK.Solidparticleerosionofunidirectionalfibrereinforcedthermoplasticcomposites——[J].wear,2009,267(910):15161524.—[11]CHUXX,wuzX,HUANGRJ,eta1.Mechanicalandther—malexpansionpropertiesofglassfibersreinforcedPEEKcornpositesatcryogenictemperatures[J].Cryogenics,2010,50(2):—8488.—[12]EVANSSL,GREGSONPJ.Compositetechnologyinloadbearingorthopaedicimplants[J].Biomaterials,1998,19(15):—13291342.—[13]ALMAJIDA,FRIEDRICHK,FLOECKJ,eta1.Surfacedamagecharacteristicsandspecificwearratesofanewcontinuous—carbonfiber(CF)/po1yetheretherketone(PEEK)compositeun—derslidingandrollingcontactconditions[J].ApplComposMa—ter,20儿,18(3):211230.基金项目:国家自然科学基金资助项目(50903010,51175066);黑龙江省学术骨干教师基金项目(1155G05)—收稿日期:2013-05-25;修订日期:201311-20作者简介:汪怀远(1977一),男,博士,教授,研究方向:从事聚合物自润滑复合材料及其摩擦学研究,联系地址:黑龙江省大庆市东北石油大学—化学化工学院(163318),Email:wangh ̄iji@163.com米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米(上接第44页)————[153ZHANGYuhong,HEPeixin,zOUQichao,eta1.Preparationandpropertiesofwater-swellableelastomer[J].Journalof—AppliedPolymerScience,2004,93(4):17191723.[16]李秀辉,吴江渝,杨鹏,等.短纤维改性吸水膨胀橡胶的力学性—能与吸水性能[J].高分子材料科学与工程,2011,27(4):4851.—LIXiuhui,WUJiang-yu,YANGPeng,eta1.preparationandpropertiesofwaterswellablerubbermodifiedbyshortfiber[J].—PolymerMaterialsScience&Engineering,2011,27(4):4851.[17]徐智,汪艳,李铭,等.增容剂在遇水膨胀橡胶中的应用[J].武—汉工程大学学报,2011,33(10):6567.—XUZhi,WANGYan,LIMing,eta1.Applicationofcompatibilizerinwaterswellingrubber[J].JournalofWuhanInstituteof—Technology,2011,33(10):6567.[18]戈明亮,贾德民.x射线衍射法研究天然橡胶/黏土纳米复合材—料的插层过程口].材料工程,2012,(3):4346.——GEMing-liang,JIADemin.Studyonintercalatingstageofnat——uralrubber/claynanoeompositesbyXraydiffraction[J].Jour—nalofMaterialsEngineering,2012,(3):4346.基金项目:国家自然科学基金青年基金项目(51003081)————收稿日期:20130507;修订日期:20140328作者简介:吴江渝(1977一),男,教授,博士,主要从事功能高分子材料、生物医用材料的研究,联系地址:武汉市雄楚大道693号武汉工程大学—材料科学与工程学院(430073),Email:wujy@mail.wit.edu.cn
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