尽管PEEK有许多优异特性,但也存在着严重的由于摩擦作用而导致的磨损损失,这种磨损损失不仅缩短了使用寿命,而且一些先进的机械设备无法应用。由于PEEK难以满足不同的使用要求,因此对PEEK的耐磨改性是国内外研究的热点之一,研究的主要手段有纤维及晶须增强、纳米粒子填充、共混等技术,不但可以大大降低使用成本,还能显著改善PEEK的成型加工和使用性能,提高其综合性能。
1.纤维及晶须增强
由于玻璃纤维(GF)、碳聚醚醚酮耐磨改性研究进展纤维(CF) 以及各种晶须与PEEK有良好的亲和性,因此可作为填料增强PEEK,从而形成复合材料。在PEEK中加入GF或CF,可显著提高复合材料的拉伸强度和弯曲强度;加入晶须,可大幅度提高复合度、刚性及尺寸稳定性。
1.1纤维增强
李皓等人采用模压成型工艺研究了短CF增强PEEK复合材料的摩擦学行为。首先将预浸料放入模具中,加热并对材料施以20MPa的压力,压实后,降温、冷却、成型。将纯PEEK与复合材料的性能进行对比。结果表明，PEEK的摩擦系数随时间的延长先增大而后趋于稳定,而复合材料的摩擦系数却随时间的延长而降低,且复合材料的磨损率均低于纯PEEK。
M.Sharma等通过等离子体改性CF来提高复合材料的力学性能及摩擦性能。等离子体处理CF表面,相对于传统方法如溶液浸渍法,能提高CF和PEEK基体界面的粘结强度,改善磨损性能。CF未经等离子体处理时,PEEK/CF 摩擦系数为0.12~0.21;CF经过等离子体处理后,PEEK/CF复合材料的摩擦系数降低了5%,力学性能得到进一步提升；摩擦介质对纤维增强PEEK复合材料的摩擦磨损性能有一定的影响。
1.2晶须增强
晶须是一种类纤维状单晶体,长径比通常在10~100 之间,在目前所知的增强体中,晶须是强度最高且性能最优的复合材料增强体之一。自其被发现以来,晶须的潜在应用价值得到了科研人员的广泛关注。
研究发现,应用载荷对复合材料的摩擦行为有很大影响,随着载荷的增加,复合材料的摩擦系数降低,在短CF含量较高的情况下,复合材料表现出卓越的摩擦学特性,但是在高载荷下磨损会增加;在PEEK/短CF复合材料中加入少量PTW,复合材料在高载荷下仍能保持较好的耐磨损性能。
林有希等人利用热压成型法制备了CaCO3晶须和聚四氟乙烯(PTFE)填充PEEK自润滑复合材料,研究了干摩擦条件下复合材料和45#钢环配副的摩擦磨损性能, 并与纯PEEK进行了比较。结果表明,CaCO3晶须和PTFE改善了复合材料的减摩、耐磨和承载性能,其摩擦系数比纯PEEK降低约1/2,耐磨性提高27 倍;摩擦稳定性显著提高,极限承载能力比纯PEEK提高1 倍以上。CaCO3晶须降低了复合材料摩擦表面的粘着、犁削和热变形;PTFE有助于复合材料表面形成连续、均匀的转移膜。自润滑复合材料的磨损机制主要是轻微的粘着和疲劳磨损。
2 纳米粒子填充
由于纳米粒子具有优异的力学性能以及表面活性,将纳米粒子填充到PEEK中,可以显著改善复合材料的力学性能和摩擦性能。
彭旭东等人以热压成型法制备了纳米Al2O3与PTFE填充PEEK复合材料,利用自制销盘摩擦磨损试验机,研究了干摩擦条件下复合材料的摩擦行为。结果表明,当纳米Al2O3的质量分数为5%~7%时,复合材料的摩擦系数和比磨损率最低,并且随着外加载荷的变化,摩擦系数呈现出一定的变化规律。
S.Mandal等人研究了纳米钛酸钡与聚醚砜(PESU) 填充PEEK复合材料的力学性能和热性能。实验结果表明,当PEEK与PESU的质量比达到75∶25 时,复合材料的热性能和力学性能达到最优;用双螺杆挤出机将纳米钛酸钡粒子混入复合材料中,发现纳米钛酸钡的质量分数为2%~6% 时,复合材料的力学性能最好。
3 共混
汪怀远等人采用模压-滤取和高温真空熔浸工艺,制备了PEEK/PTFE/活性碳纤维(ACF)自润滑复合材料。考察了ACF、微米级造孔剂NaCl含量及载荷对其摩擦性能的影响。结果表明, 当载荷为200 N、ACF质量分数为8%、NaCl质量分数为30%、PTFE质量分数为20% 时,复合材料的摩擦系数和磨损率最低, 摩擦系数为0.0259,磨损率为5.26×10-16m3/N·m,与普通CF增强PEEK复合材料相比,摩擦系数减小86%, 耐磨性提高了16 倍。
毕俊等人利用可熔融共聚氟树脂与PEEK共混,通过注塑成型制备了PEEK/共聚氟树脂共混物,并与PEEK/PTFE共混物进行了比较。当共聚氟树脂或PTFE的质量分数为20% 时,通过SEM图观察发现,分散相共聚氟树脂在基体PEEK中的分散均匀,粒径均一,而PTFE的分散不均匀,粒径大小也不一。在100 N和200 N载荷下,PEEK/共聚氟树脂共混物的摩擦系数分别为0.11,0.1 而同等条件下PEEK/PTFE共混物的摩擦系数分别为0.19,0.13,PEEK/共聚氟树脂共混物的摩擦系数降低。
4 结语
虽然对PEEK耐磨改性的研究已取得较大进展,但是与实际需求还存在着较大差距。未来的研究热点将逐渐集中在开拓新的改性方法、增加添加成分的种类,解决PEEK与其它物质的相容性等问题上。随着科技的发展,高性能PEEK耐磨材料的应用将具有十分广阔的发展前景。
