不同玻璃纤维含量对PTFE...K复合材料摩擦学性能的影响_陈义.pdf

11理论与研究NO.02 2023塑料科技 Plastics Science and Technology不同玻璃纤维含量对PTFE增强PEEK复合材料摩擦学性能的影响陈 义1,2,张国新1,卞 达3,马赞兵4（1.无锡科技职业学院，江苏 无锡 214028；2.苏州江锦自动化科技有限公司，江苏 苏州 215000；3.江南大学机械工程学院，江苏 无锡 214122；4.浙江长盛塑料轴承技术有限公司，浙江 嘉兴 314100）摘要：以聚四氟乙烯（PTFE）为增强相，加入不同含量的玻璃纤维（GF），通过注塑成型方式，制备PEEK/PTFE复合材料，使用力学试验机进行拉伸试验，利用摩擦试验机进行表面摩擦试验，利用白光仪对磨痕数据和三维形貌进行观测，使用扫描电子显微镜对磨痕进行观测与分析。结果表明：当GF含量越高，复合材料最大应力越高，应力增大的斜率越明显。当GF含量增至30%，复合材料的最大应力提高至183 MPa。当GF含量逐渐升高，复合材料表面的摩擦系数降低。当GF含量为30%，复合材料的摩擦系数降至0.08。当GF含量为0、15%、30%，复合材料磨损率分别为3.5910-6、2.3010-6、1.7810-6 mm3/（Nm）。GF含量越高，复合材料的硬度越高，耐磨损性能越好。关键词：聚醚醚酮；玻璃纤维；磨损率；耐磨性；转移膜中图分类号：TB332 文献标识码：A 文章编号：1005-3360（2023）02-0011-04 DOI：10.15925/ki.issn1005-3360.2023.02.003Effect of Different Glass Fiber Content on Tribological Properties of PTFE Reinforced PEEK CompositesCHEN Yi1,2,ZHANG Guo-xin1,BIAN Da3,MA Zan-bing4(1.Wuxi Vocational College of Science and Technology,Wuxi 214028,China;2.Suzhou Jiangjin Automation Technology Co.,Ltd.,Suzhou 215000,China;3.School of Mechanical Engineering Jiangnan University,Wuxi 214122,China;4.Zhejiang Changsheng Plastic Bearing Technology Co.,Ltd.,Jiaxing 314100,China)Abstract:PTFE/PEEK composite were prepared by injection molding with polytetrafluoroethylene(PTFE)as the reinforcing phase and different content of glass fiber(GF).The tensile test was carried out by mechanical testing machine,and the surface friction test was carried out by friction testing machine.The data and three-dimensional morphology of the wear mark were observed by white light meter,and the wear mark was observed and analyzed by scanning electron microscope.The results show that the higher the GF content is,the higher the maximum stress of the composite is and the slope of the stress increase is more obvious.When the GF content increases to 30%,the maximum stress of the composite increases to 183 MPa.The higher the GF content is,the lower the friction coefficient of the composite surface is.When the GF content is 30%,the friction coefficient of the composite decreases to 0.08.When the GF content is 0,15%and 30%,the wear rates of the composites are 3.5910-6,2.3010-6 and 1.7810-6 mm3/(Nm),respectively.The higher the GF content,the higher the hardness and the better the wear resistance of the composites.Key words:Polytetrafluoroethylene;Glass fiber;Wear rate;Abrasion resistance;Transfer membrane聚醚醚酮(PEEK)是一种力学性能优异、热稳定性高、耐腐蚀性高、耐磨性好的材料，被广泛应用于高端装备、航收稿日期：2022-09-18基金项目：国家自然科学基金青年基金（52205196）；江苏省自然科学基金（BK20190611）；江苏省工程研究中心（苏发改高技发 20221103号）联系人，chenyi_引用本文：陈义,张国新,卞达,等.不同玻璃纤维含量对PTFE增强PEEK复合材料摩擦学性能的影响J.塑料科技,2023,51(2):11-14.Citation：Chen Y,Zhang G X,Bian D,et al.Effect of different glass fiber content on tribological properties of PTFE reinforced PEEK compositesJ.Plastics Science and Technology,2023,51(2):11-14.12理论与研究NO.02 2023塑料科技 Plastics Science and Technology空航天、汽车制造等领域1-4。但是，纯PEEK由于导热性差、摩擦系数较高，在干摩擦情况下也出现较高的磨损率，这在一定程度上限制了PEEK在不同行业的应用5-6。为了使PEEK适应更多的应用场景，Molazemhosseini等7和姚光督等8研究表明：向PEEK颗粒中加入起润滑作用的填料，以提高PEEK的耐磨性。在PEEK中添加聚四氟乙烯(PTFE)虽然可以提高耐磨性，但是也在一定程度上牺牲PEEK的强度和高温摩擦性能，限制其在重载及其他恶劣环境下的应用。刘莹9通过平纹编织的方式在 PTFE/PEEK复合板中加入10%15%的碳纤维(CF)。结果表明：加入CF的样品比不加入CF的样品具有更好的摩擦性能。谷国华等10采用浸润涂层的方式，通过模压工艺制备聚醚醚酮/碳纤维/环氧树脂(PEEK/CF/EP)复合板。结果表明：该复合板具有较高的断裂韧性和冲击强度。黄素玲等11通过烧结工艺制备多壁碳纳米管(MWCNT)加强PEEK复合材料。结果表明：MWCNT可以降低复合材料的摩擦系数和磨损率。除了加入起润滑作用的填料，国内学者也研究在PEEK中单独加入提高PEEK强度的粒子。李恩重等12在室温高速条件下，对质量分数为30%的短切玻璃纤维增强聚醚醚酮(PEEK/GF)复合材料进行干滑动磨损实验，考察载荷及频率对材料摩擦系数及磨损量的影响。结果表明：随着载荷和频率的增加，PEEK/GF的摩擦系数和磨损量逐渐增大并趋于稳定。赵婷13研究表明：PEEK复合材料的力学性能随着GF含量的增加而提高。单独在 PEEK 中加入起润滑作用的粒子，会降低PEEK的整体强度；单独加入提高PEEK整体强度的粒子，会降低PEEK的摩擦系数。这些方案有一定的局限性，研究PEEK中同时加入起润滑作用粒子和提高PEEK强度的粒子，特别是对提高PEEK力学及摩擦性能具有重要意义。本实验从提高PEEK综合性能的角度，通过注塑工艺，制备不同GF含量的PTFE增强PEEK样条，对样条进行拉伸试验和摩擦性能试验。研究不同GF含量对PEEK/PTFE复合材料力学性能和摩擦综合性能的影响，分析GF含量对PEEK/PTFE复合材料强韧机制的作用机理，为提高PEEK综合性能提供支持。1实验部分1.1主要原料聚四氟乙烯(PTFE)颗粒，JF-4TN，粒径30 m，浙江巨化有限公司；聚醚醚酮(PEEK)颗粒，085G，粒径20 m，长春吉大特塑工程有限公司；玻璃纤维(GF)，Z/QCD3，纤维直径7.5 m，纤维长度3 mm，中天俊达玻璃纤维有限公司。1.2仪器与设备万能拉伸试验机，Exceed E45，美国美特斯公司；注射机，VI-55DRES，中台精密机械（广州）有限公司；多功能摩擦磨损试验机，MFT-5000、白光形貌仪，MFP-D，美国Rtec公司；扫描电子显微镜(SEM)，EVO108，德国蔡司公司。1.3样品制备按GB/T 1040.22006规定尺寸制作注塑模具和注塑样条。PTFE和PEEK颗粒按照质量比1 6混料，再分别加入质量分数为0、15%、30%的GF，投入搅拌机搅拌均匀。混料完成，投入注射机，制作注塑样条，制作尺寸为4 cm4 cm2 cm的摩擦实验样块。表1为不同PEEK/PTFE复合材料配方。1.4性能测试与表征拉伸性能测试：按GB/T 1040.22022进行测试。拉伸速度为1 mm/min，试验过程直到样条完全断裂，停止试验数据记录。摩擦性能测试：摩擦试验采取线性往复运动形式，在无润滑干摩擦条件下进行，对磨偶件为Si3N3陶瓷小球，载荷50 N、频率2 Hz、磨头滑移行程5 mm、试验时间30 min。磨损率(W)计算公式为：W=VFS=ALFS（1）式（1）中：V为样条上磨痕的体积，mm3；S为磨头滑移行程，mm；F为实验中的负载，N；A为磨痕横截面积，通过形貌仪表征，mm2；L为磨痕总长度，本试验为往复摩擦试验，为磨痕长度的2倍，mm。形貌分析：摩擦试验完成后，使用白光形貌仪对试验样条表面的摩擦痕迹及三维形貌进行观察。采用SEM对磨痕进行观测。2结果与讨论2.1复合材料力学性能图1为不同GF含量下PEEK/PTFE复合材料样条的应力-应变曲线。表1不同PEEK/PTFE复合材料配方/%Tab.1 Formula of different PEEK/PTFE composite/%样品PEEK/PTFEPEEK/PTFE+15%GFPEEK/PTFE+30%GFPEEK/PTFE1008570GF01530图1不同GF含量下PEEK/PTFE复合材料样条的应力-应变曲线Fig.1 Stress-strain curves of PEEK/PTFE composites with different GF content13理论与研究NO.02 2023塑料科技 Plastics Science and Technology从图1可以看出，GF含量为0时，复合材料样条最大应力在各组分中最小，为151 MPa；GF含量为30%时最大应力在各组分中最大，为183 MPa。GF含量为30%的样条增大斜率最明显，GF含量为0的样条应力随应变变化趋势最不明显。因为GF在PEEK/PTFE基体中作为增强相，起骨架作用，能够抵抗受到的外力作用，GF含量越高，复合材料样条的