碳纤维_聚醚醚酮(CF_P...损性能及抗摩擦静电特性研究_逄显娟.pdf

第 卷 第期中 国 机 械 工 程 年月 碳纤维 聚醚醚酮（）复合材料摩擦磨损性能及抗摩擦静电特性研究逄显娟，岳世伟，黄素玲，谢金梦，王帅，宋晨飞，岳赟，刘建，李栋河南科技大学材料科学与工程学院，洛阳，河南科技大学高端轴承摩擦学技术与应用国家地方联合工程实验室，洛阳，河南科技大学化学化工学院，洛阳，摘要：利用真空热压烧结技术制备了不同碳纤含量的碳纤维聚醚醚酮（）复合材料，采用热导率分析仪和热重测试仪对材料的热学性能进行表征，并利用多功能摩擦磨损试验机、三维形貌轮廓仪、扫描电子显微镜和摩擦静电计对材料的摩擦磨损性能和抗摩擦静电性能进行分析。分析结果表明：随着 添加量的增加，复合材料摩擦因数、磨损率和摩擦静电电压先降低后升高，当 添加量（质量分数）为 时，摩擦因数、磨损率和摩擦静电电压达到最低，分别为 、（）和，证明此种方法制备的 材料具有优异的摩擦磨损性能和抗静电性能。复合材料磨损机理以黏着磨损为主，并且伴随着轻微的磨粒磨损。关键词：聚醚醚酮；碳纤维；复合材料；摩擦磨损；抗摩擦静电中图分类号：开放科学（资源服务）标识码（）：，：，（），：（）；（）；收稿日期：基金项目：国家自然科学基金（，）；河南省自然科学 基 金（）；河 南 科 技 大 学 实 验 开 发 基 金（）；河南省高校国家级大学生创新创业训练计划（）引言进入 世纪以来，我国的飞机、高铁和航海事业快速发展。但是，其中一些高精密零部件主要依靠进口，制约着飞机、高铁和航海领域的突破性进展。目前，用作零部件的材料主要有金属材料、陶瓷材料和高分子材料三大类，各有优缺点和应用范围，零部件的质量直接关系到设备的使用寿命，影响到机器的安全运转。随着各领域对材料性能的需求，人们对材料的应用有了更全面的认识，对材料的性能有了更高的要求。摩擦磨损是机器零部件性能的重要参数指标之一。据统计，摩擦磨损消耗掉全世界能源的且致使 的机器零件失效，所以寻找一类质轻高强、抗磨、耐腐蚀和耐疲劳的多功能材料迫在眉睫。目前关于金属材料摩擦磨损性能的研究较多，很多摩擦磨损理论以金属材料为研究对象，对高分子材料的摩擦性能研究还不够全面。树脂材料质量小、性能优异，在许多方面（如轴承保持架、密封和润滑材料等）可以代替金属材料和无机非金属材料来使用，不仅能节约成本，而且可以降低能源的消耗，因而受到众多研究者的关注，。但是，大部分高分子材料都具有黏弹性，其性质容易被外界环境所影响，在摩擦过程中，高分子材料表面发生较复杂的物理化学变化，这些因素限制了对高分子材料摩擦现象的认识，也阻碍了高分子材料摩擦学理论的发展 。聚醚 醚 酮（，）是一种热塑性树脂，作为一种特种高分子材料，密度小，具有优异的耐热性能、耐摩擦性能、耐腐蚀性能和良好的电绝缘性能、机械性能，这使得 成为一种极具吸引力的复合材料的基体材料 。但是，基体由于磨损率高和摩擦静电电荷聚集而限制了其在摩擦领域和导电材料领域的应用 。为了改善 的抗静电性能和磨损性能，需要在 基体中添加导电填料和增强相来获得 基复合材料。目前，常用的增强相有玻璃纤维、碳纤维 及 等 纳 米 粒 子，常 用 的 导 电 填 料 包 括 石墨、碳纳米管（）、碳纤维（，）和金属粉末 等。其中，的密度小，比模量和比强度高，具有耐摩擦、导电、导热、耐高温及耐腐蚀等优良特性，增强热塑性复合材料力学性能好、抗静电性能良好和摩擦性能优异等特点，在航空航天、汽车、轨道交通、医疗器械等领域得到了广泛的应用，。综上，关于 及其复合材料的研究较少，尤其是对 复合材料的抗摩擦静电研究未见报道。本文以 为基体材料，为改性剂，通过一种低成本方法制备了不同含量 掺杂的 复合材料，系统地分析了材料的结构和热学性能，并且对 复合材料的摩擦磨损性能和抗摩擦静电性能进行研究，得到磨损机理和抗摩擦静电机理。试验材料与方法试验材料本文试验所用的基体原料为 粉末，平均粒径值约为，由东莞市川澳工程塑胶原料有限公司提供，室温下的基本物理性能参数见表。本试验所用的增强材料为高模量碳纤维粉末，平均粒径大约为 目，由碳稀技术（深圳）有限公司提供，室温下的基本物理性能参数见表。表 基本物性参数 密度（）吸水率（）收缩率（）玻璃化温度（）熔融温度（）表 基本物性参数 密度（）碳含量（）单丝直径（）平均长径比拉伸强度（）拉伸模量（）试验方法材料制备方法本文的聚醚醚酮基复合材料通过真空热压烧结炉采用快速热压烧结方法制备，主要流程分为以下五步：干燥、称量、球磨共混、冷压成形和热压烧结。制备工艺流程如图所示。图 基复合材料制备工艺流程图 具体实施方案如下：按照质量百分比，分别称取 的 粉末和的 粉末、的 粉末和 的 粉末、的 粉末和 的 粉末、的 粉末和 的 粉末、的 粉末和 的 粉中国机械工程 第 卷 第期 年月上半月末、的 粉末和 的 粉末、的 粉末和 的 粉末、的 粉末和 的 粉末；然后将粉末置于高能球磨机中，球料比为，在 转速条件下混合得到混合粉末。随后将称取的 混合粉末装入石墨模具中，置于真空快速热压烧结炉中烧结。烧结参数如下：真空度约 ；升温速率分两段进行，升温到 ；压力 ，保温时间 ，烧结工艺曲线如图所示。烧结结束后，复合材料随炉冷却至室温得到聚醚醚酮基固体润滑复合材料。图烧结工艺曲线 摩擦磨损试验方法摩擦试验采用型多功能摩擦磨损试验机（图），以球 盘旋转滑动接触形式对 和 复合材料的摩擦磨损性能及抗摩擦静电性能进行研究。摩擦副的上试样为 不锈钢球，直径为 ，粗糙度 ，硬度为 ；下试样为快速热压烧结所制备的纯 材料和 复合材料，试样尺寸直径为，厚度为，试样表面通过 号、号、号、号、号、号、号、号金相砂纸打磨处理，在 型金相磨抛机上进行逐一抛光，为保证材料表面清洁，最后放在无水乙醇中使用 型超声波清洗仪清洗、晾干，使得试样表面粗糙度 值控制在 。摩擦条件如下：载荷，旋转速度 ，旋转半径，摩擦时间 。图多功能摩擦磨损试验机 摩擦试验的瞬时摩擦因数由控制计算机实时采集。磨损率采用三维形貌轮廓仪对磨痕进行测量，导出磨痕宽度和深度二维曲线数值，通过 画图积分计算磨痕的横截面积，为保证测试结果的精准度，在同一条磨痕上选取多个截面，对其平均值进行磨损体积计算。计算方法如下：式中，为磨损率，（）；为磨损体积，为划痕长度，为划痕截面积；为施加的载荷；为旋转滑动速度；为滑动时间。摩擦分离时，使用非接触式 型静电测试仪检测分离后 基复合材料表面的摩擦静电，通过内置微控处理器在表盘上显示静电电压。为了保证试验的准确性和可靠度，每次检测使 型静电测试仪放置在固定的位置，相同试验条件重复三次，取其平均值作为摩擦静电电压的最终结果，测试静电电压值越小，表明材料的抗静电性能越好。微观形貌和性能测试将实验样品表面喷金处理，采用 型扫描电子显微镜（）观察 和 复合材料磨损前后表面的形貌及状态，用于分析摩擦磨损机制。借助 射线衍射仪对 和 复合材料的特征峰衍射角进行表征，检测条件如下：扫描步长为 ，扫描速率 为 ，扫 描 范 围 为 。利 用 型傅里叶红外光谱仪分别对两种材料的特殊官能团进行分析，测试范围为 。使用 热导率测试仪对制备的不同复合材料的热导率进行检测。试验结果与分析讨论结构分析 物相分析图所示为不同 含量（质量分数）复合材料的 图谱，可以明显看出，不同 含量 都有个比较强的衍射峰，并且出现在相同的位置。个结晶特征衍射峰对应的衍射角分别为 、和 ，所对应的晶面分别为（）、（）、（）、（），其衍射峰与文献 衍射峰的位置和形状基本一致。可见，加工成形工艺没有改变 和 的结晶状态，另外，即使烧结温度达到 ，也没有发生分解和裂解反应，并且 没有发生氧化反应。碳纤维聚醚醚酮（）复合材料摩擦磨损性能及抗摩擦静电特性研究 逄显娟岳世伟黄素玲等图 和 复合材料的 图谱 红外光谱分析不同 含量的 红外光谱图见图，可以看出，不同 含量的复合材料特征峰的位置和形状大致相同，说明烧结过程并没有改变 结构中的官能团。因为 没有官能团键的振动，所以不同 含量的 复合材料的红外光谱图中主要呈现出 的官能团键的振动。其中，、是苯环的平面弯曲振动吸收谱带，且 是芳环对位取代的特征峰，是 的对称伸缩振动谱带，是芳醚或者芳酮结构中苯环的平面内弯曲振动吸收谱带，是的不对称伸缩振动谱带，是 苯环平面 内 振动 谱带，和 是苯环平面内振动谱带，是伸缩振动谱带。图 和 的傅里叶红外光谱图 热学分析热导率和热阻为了分析 及 复合材料的导热性能，对不同 含量 复合材料的热导率和热阻进行了表征。图为不同 含量 复合材料的热导率和热阻趋势图，可以明显看出，随着 含量的增加，复合材料的热导率呈现线性递增趋势，相应的热阻表现出线性递减趋势，当添加 含量为 时，复合材料比纯 的热导率提高倍。由于 属于高分子塑料，拥有高分子材料绝缘隔热的特性，故纯 材料导热性能较差，然而 是高导热材料，其热导率为 （），将 添加到 中，有利于改善 材料的导热性能。图 和 复合材料的热导率及热阻 热重分析图是不同 含量 复合材料的 图 谱，可 以 看 出，复 合 材 料 比 纯 的分解温度有略微下降，随着 含量的增加，复合材料的失重率有明显的降低，当 含量增加到 时，复合材料的 失 重率 比 纯 材料的失重 率 下 降 了 左右，说明 的加入对 材料的热稳定性有良好改善作用。因为 虽然经过高温降解为碳化物，但与树脂基体的结合性依旧存在，含量越高，对树脂基体的分子链运动阻碍性越强，分子链运动所需的能量也就越高；的含量越高，复合材料的残碳率越高，热稳定性就越好。图 和 复合材料的 图谱 含量对 材料摩擦磨损和摩擦静电的影响对摩擦因数的影响为了探究 复合材料摩擦性能最佳中国机械工程 第 卷 第期 年月上半月的 添加含量（质量百分比），对添加不同 含量的 复合材料进行相同条件的旋转干滑动摩擦，设定载荷为，转速为 ，旋转半径为。图、图 为添加不同 含量的 复合材料的瞬时摩擦因数和平均摩擦 因数曲 线。可 以 看 出，所 有 含 量 的 复合材料随着时间的推移，瞬时摩擦因数均分为两个阶段，第一阶段为逐渐增加的跑合阶段，第二阶 段 为 稳 定 阶 段。添 加 之 后 复合材料的瞬时摩擦因数明显低于纯 的瞬时摩擦因数，并且在整个摩擦过程中，摩擦因数曲线都比纯 的曲线更平稳。虽然 含量为 和 的 复合材料摩擦因数低于纯 摩擦因数，但是在达到稳定阶段后，摩擦因数出现了较大的波动。由图（）瞬时摩擦因数（）瞬时摩擦因数（）不同碳纤含量复合材料平均摩擦因数图不同 含量的 摩擦因数 可以看出，随着 含量的增加，平均摩擦因数先大幅降低然后趋于平稳，稳定在 左右。分析后认为：由前文热导率的数值可知，的加入提高了 材料的热导率，使 复合材料摩擦表面产生的热量扩散比 材料迅速，摩擦表面温度降低。与金属等高熔点的材料相比，复合材料的熔点、热导率和玻璃化转变温度相对较低，使得 复合材料在摩擦过程中对温度效应比 较敏 感。随 着 摩 擦 温 度 的 升 高，复合材料出现玻璃态、黏弹态和黏流态三种状态。摩擦初期，复合材料表面从玻璃态向黏弹态转变，摩擦温度快速升高，摩擦表面发生严重的黏着变形，此阶段摩擦因数也随之迅速升高；然后 复合材料表面状态从黏弹态向黏流态转变，摩擦温度的增加变得缓慢，摩擦因数的升高也趋于平稳；当摩擦表面处于黏流态时，摩擦表面的温度基本稳定，所以这一阶段的摩擦因数也基本保持不变。磨损率图为添加不同 含量的 复合材料磨损表面三维形貌图和截面轮廓曲线。可以看出，随着添加 含量的增加，摩擦划痕深度先逐渐变浅后大幅度加深；同时划痕宽度先逐渐变窄，随后又逐渐加宽，添加 含量为 时，划痕深度最浅和划痕宽度最窄，分别为和 ，对应了磨损表面三维形貌图。说明添加质量分数为 对 基体材料的磨损性能具有明显的改善。为了更直观地描述不同 含量 复合材料的磨损性能，通过对磨损表面进行积分计算获得磨损率。添加不同 含量的 复合材料的磨损率如图 所示，可以看出，随着 添加量的增加，复合材料的磨损率先逐渐降低，然后急剧增加，添加量为 时，复合材料的磨损率达到最低，为 （），比纯 的磨损率降低了两个数量级。加入 基体材料后出现这种结果的原因有三方面：当 复合材料受到外界压力时，一方面 在复合材料中起到支撑的作用，减小了摩擦配副与 基体材料的相互作用，进而降低了 复合材料的磨损率；另一方面 具有片状多晶石墨结构，本身具备减磨润滑性能，在摩擦试验过程中，磨屑充当润滑剂的作用，并且 具有良好的导热性能，将因摩擦产生的摩擦热碳纤维聚醚醚酮（）复合材料摩擦磨损性能及抗摩擦静电特性研究 逄显娟岳世伟黄素玲等及时导出材料，减少了 基体材料的黏着，进一步降低了 复合材料的磨损率；此外，复合材料的磨损率还受到 在 基体材料中分散状态的影响，当添加 含量低于 时，粉末完全分散在 基体中，被 基体紧密地包裹着，起到了一定的减摩抗磨的作用，当添加 含量过高 时，粉 末在 基体中发生团聚现象，分散不均匀，在摩擦磨损试验过程中团聚的 在摩擦力的作用下被剥离出来，从 基体材料脱落，同时引起磨粒磨损，加剧了磨损过程，此时复合材料的导热性能的有利影响低于其团聚而引起的不利影响，因此，当添加 含量超过 时，复合材料的磨损率快速增加。（）含量 （）含量（）含量（）含量（）含量 （）含量（）含量（）含量（）含量 图不同 含量的 三维形貌图和截面轮廓曲线 图 不同 含量的 磨损率 磨损机制图 是不同 含量的 复合材料磨损表面形貌图，分别代表 含量为、，其中黄色单箭头为划痕方向，右上角红色方框内是划痕局部位置放大图。由 图可以明显看出，随着添加 含量的增加，复合材料磨损状况先逐渐减轻，然后摩擦表面出现严重磨损。图 表面出现塑性变形，有大量的剥落坑和轻微划痕，说明纯 材料主要以黏着磨损为主，并伴随轻微的磨粒磨损。图 图 表面剥落坑逐渐减少，当 含量为 时，剥落坑基本完全消失，只剩下一些轻微的划痕，说明 含量的 在 基体材料中均匀分散，没有发生团聚，起到了良好承载应力的作用，因此，在此 含量范围内，复合材料的 磨 损 机 理 为 轻 微 的 黏 着 磨 损 和 磨 粒 磨损，。图 图 表面发生严重的塑性变中国机械工程 第 卷 第期 年月上半月形，并且出现大量的黏着剥落坑和少量的犁沟划痕，含量越高，这种现象越明显，故在此 含量范围内，复合材料的磨损机理为严重的黏着磨损和磨粒磨损。（）含量（）含量（）含量（）含量（）含量（）含量（）含量 （）含量 （）含量图 不同 含量的 磨损表面形貌 抗摩擦静电性能 作为良好的导电填料，其添加含量直接影响到连 续 导 电 网 络 的 形 成，间 接 决 定 了 复合材料的导电性能。当 在 基体材料中含量较低时，纤维与纤维之间不能够搭建起连续的导电网络，尽管有一定的抗静电性，但不能完全消除掉静电。只有当 在 基体材料中达到某一临界浓度（逾渗阈值）时，纤维之间才能搭建起均匀连续的导电网络，进而起到抗静电的作用。为了监测 在 基体材料中的临界浓度，通过对不同 含量的 复合材料摩擦表面静电电压进行测量，不同 含量的 复合材料摩擦表面静电电压测试结果如图 所示。可以明显看出，随着 含量的增加，复合材料摩擦表面静电电压并不是呈线性下降，而是先逐渐降低，随后急剧下降，最后略微升高趋于平稳，这种结果被称为渗滤现 象。添 加 含 量 较 低 时，虽 然 在 基体材料中分散均匀，但是 之间的间距较大，被 基体材料包裹着的 不能形成连续的导电网络，因此，复合材料摩擦表面静电电压的降低比较缓慢。当增加 含量至 时，复合材料摩擦表面静电电压急剧下降，检测到的摩擦静电电压几乎全部消失。这说明 是 添加到 基体材料中的逾渗阈值，此时，不但在 基体中均匀分散，而且相邻的 在 基体中形成了三维空间均匀连通的导电网络，另外，在摩擦过程中连续 把摩擦热迅速消散，避免摩擦电荷在 复合材料表面累积，从而降低了复合材料的摩擦静电电压。超过逾渗阈值，继续增加 含量，复合材料摩擦表面静电电压略微升高，趋于平稳，导致这种结果的原因如下：含量过高时，在 基体材料中发生团聚，当受到外力摩擦过程中，被剥离出来，形成的三维空间均匀连续导电网络被破坏，磨屑在碳纤维聚醚醚酮（）复合材料摩擦磨损性能及抗摩擦静电特性研究 逄显娟岳世伟黄素玲等 复合材料表面堆积，因摩擦产生的静电电荷不能及时导出，所以摩擦表面静电电压会略微升高。图 不同 含量的 摩擦表面静电电压 为了更好地描述 在 复合材料摩擦过程中抗静电的机理，对 复合材料的断面进行扫描电子显微镜拍摄，图 和图 分别是 为 的 复合材料断面 图片和均匀导电网络模型。由图 可以明显看到部分裸露的 被高黏性的 紧密地包裹着，一部分 被另一截 复合材料拔出，留下 坑，并且 在 基体材料中均匀分布，通过自由搭建形成三维空间连续的导电网络。图 是根据 在 基体中的分布方式模拟出来的均匀导电网络模型，更直观地说明了 复合材料在摩擦过程（）为 的 复合材料断面形貌（）均匀导电网络模型图 为 的 复合材料断面形貌和均匀导电网络模型 中的抗静电机理。结论（）通过 物相分析和傅里叶红外光谱结构分析，发现 烧结温度下 含量没有改变 特征峰位置和强度，对 中的官能团也没有产生影响。（）通过对 图谱、图谱和热导率分析，发现 材料的熔点为 左右，初始分解温度约为 ，添加 使 的热稳定性和导热性能得到大幅度改善。（）在 室 温 条 件 下，对 纯 及 其 复合材料进行摩擦学试验，发现 的加入显著提高了 材料的摩擦磨损性能，故 为 最 优添 加 含量。及 复 合材料 的 磨 损 机理 以黏着磨损和磨粒磨损为主。（）通过对不同 含量 复合材料的表面摩擦静电表征，得到添加 的 含量为 的逾渗阈值，此时表面摩擦静电几乎全部消失。参考文献：高新宇，岳晨冲，秦红强，等功能化复合材料性能改善研究第六届空天动力联合会议暨中国航天第三专业信息网第四十二届技术交流会暨 航空发动 机 技 术 发 展 高 层 论 坛成 都，：，：徐雯婷 纤维增强树脂基复合材料在直升机的应用现状 纤维复合材料，（）：，（）：金启豪，陈娟，彭立明，等碳纤维增强树脂基复合材料与铝镁 合 金 连 接 研 究 进 展 材 料 工 程，（）：，中国机械工程 第 卷 第期 年月上半月 ，（）：许江菱 年世界塑料工业进展塑料工业，（）：（），（）：，：，（）：，（）：，（）：祁 渊，龚 俊，杨 东 亚，等纳 米 填 料 增 强 复合材料基于环块摩擦结构的摩擦过程研究材料导报，（）：，（）：，（）：，（）：，：，：，（）：，：，：，（）：，（）：方良超，陈奇海，霍绍新，等 聚醚醚酮（）的改性及其应用合成材料老化与应用，（）：，（），（）：齐慧敏，胡超，李洁，等 宽温域环境中聚四氟乙烯及其复合材料摩擦学性能研究摩擦学学报，（）：，（）：，（）：丁浩亮，汤炜，魏赛短切玻璃纤维增强聚醚醚酮承力支架研制宇航材料工艺，（）：，（）：，（）：，：，：（）：兰天宇，王雅珍，陈国力，等 塑料用抗静电剂的研究进展广东化工，（）：碳纤维聚醚醚酮（）复合材料摩擦磨损性能及抗摩擦静电特性研究 逄显娟岳世伟黄素玲等 ，（）：梁琦，贾润礼石墨和短纤维填充聚乙烯抗静电材料的研究 塑料，（）：，（）：秦旺平，程庆，汪炉林，等高分子材料的阻燃抗静电改性研究进展 工程塑料应用，（）：，（）：，（），（）：徐利敏，赵剑锋，雷玉平，等特种工程塑料 的合 成 与 表 征 湖 北 省 化 学 化 工 学 会 年年 会 暨 循 环 经 济 专 家 论 坛武 汉，：，（），：丛世杰，任庆龙，夏英，等芦苇碳纤维增强 复合材料的制备及性能研究合成纤维工业，（）：，（）：，（）（）：，：李恩重，徐滨士，王海斗，等 与 摩擦学性能研究第十一届全国摩擦学大会兰州，：，：，（），（）：，：，（）：，（）：高聪聚醚醚酮聚酰亚胺合金及其导电复合材料的结构与性能研究长春：吉林大学，（）：，许亚东聚合物电磁屏蔽复合材料的结构设计与性能研究太原：中北大学，：，（编辑陈勇）作者简介：逄显娟，女，年生，副教授。研究方向为材料摩擦和表面工程等。：。岳世伟（通信作者），男，年生，工程师。研究方向为特种高分子复合材料的摩擦磨损性能。?（上接第 页），：（编辑陈勇）作者简介：陈鑫，男，年生，硕士研究生。研究方向为柔性机构设计、机械创新设计理论与方法。刘江南（通信作者），女，年生，教授、博士。研究方向为机械系统优化设计、产品研发创新设计。：。中国机械工程 第 卷 第期 年月上半月