聚四氟乙烯/聚醚醚酮复合保持架材料性能试验分析

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)洛阳轴研科技股份有限公司 作者:王枫

  为研究聚醚醚酮对聚四氟乙烯复合保持架材料性能的影响,试验分析了聚醚醚酮添加量对聚四氟乙烯复合保持架材料的力学性能、摩擦磨损性能及热性能的影响。结果表明,添加的聚醚醚酮质量分数为15%时,聚四氟乙烯/聚醚醚酮复合保持架材料综合性能最佳,与纯聚四氟乙烯相比,抗压强度提高近3倍,热变形温度提高42℃,耐磨性能也显著改善。

  聚四氟乙烯(PTFE)是优良的轴承用固体自润滑保持架材料,在摩擦过程中,易于在对偶面上形成转移膜,变为PTFE材料间的摩擦,从而具有极低的摩擦因数。但是其硬度低、不耐磨、易冷流,线胀系数大、抗压缩性能差,且其热变形温度低,用作轴承保持架材料时不适于承载大及转速较高的工况。聚醚醚酮(PEEK)是一种新型半晶态芳香族热塑性特种工程塑料,强度高、耐磨损、耐蠕变及尺寸稳定性好,兼备韧性和刚性,具有较高的热变形温度;当PEEK及其复合材料与金属材料相互对磨时,通常在金属表面形成聚合物转移膜,从而具有自润滑效应。PEEK是继PTFE之后的又一类倍受欢迎的减摩耐磨材料。

  下文以PTFE为基材,PEEK为共混增强改性材料,制备出PTFE/PEEK复合保持架材料,重点研究PEEK添加量对PTFE力学性能、摩擦磨损性能及热性能的影响。

1、试验材料及方法

  1.1、材料

  试验用材料为:PTFE,粒径40μm;PEEK450PF,粒径75μm。PEEK易吸潮,吸湿率约0.5%,故需做干燥处理。干燥处理时原料厚度不超过25mm,在150℃下干燥3h或160℃下干燥2h,使含水量降至0.1%以下,取出后密封备用。取适量PTFE和PEEK,加入到高速组织捣碎机,高速搅拌3次,每次15s,转速为10000~12000r/min;之后使用20倍显微镜观察复合材料,若无明显色差即为合格。将不同配比的PTFE/PEEK混合料冷压成型后烧结制备出PTFE/PEEK复合材料。

  1.2、试验方法

  采用DNS20型电子微控万能试验机测试保持架复合材料的抗拉强度和抗压强度;采用XJJD-50电子简支梁冲击试验机按照GB/T1043—2008对保持架复合材料的冲击韧度进行测试;采用TMK-0型摩擦磨损试验机测试保持架复合材料的摩擦磨损性能,复合材料试样和对偶件经1000#金相砂纸打磨至表面粗糙度Ra=0.03μm,试验条件为干摩擦,载荷为140N,滑动速度为2.56m/s,时间为30min;利用微机控制热变形温度测量仪测试复合材料的热变形温度,弯曲应力为1.80MPa,升温速率为120℃/min;采用V-SD型邵氏硬度计测试复合材料的硬度。

2、结果及分析

  PTFE/PEEK复合材料中PEEK含量(质量分数)对复合材料性能的影响分析如下。

  2.1、抗拉强度

  图1所示为PEEK添加量(质量分数)对PTFE复合材料(环状试样)抗拉强度的影响。从图中可以看出,随着PEEK添加量的不断增加,复合材料的抗拉强度呈不断下降趋势,当添加的PEEK质量分数为15%时,复合材料的抗拉强度为17MPa。这主要是由于PEEK与PTFE结构差别大,界面结合性相对较差,在压制和烧结过程中两相间不能完全互熔,界面间存在间隙,从而使得复合材料的抗拉强度下降。为了保证复合保持架材料具有一定的抗拉强度,添加的PEEK质量分数不宜超过20%。

PEEK添加量对PTFE复合材料抗拉强度的影响

图1 PEEK添加量对PTFE复合材料抗拉强度的影响

  2.2、冲击韧度

  PEEK添加量对PTFE复合保持架材料冲击韧度的影响见表1。从表中可以看出,随着PEEK添加量的增加,复合保持架材料的冲击韧度呈下降趋势。当添加的PEEK质量分数为15%时,复合保持架材料的冲击韧度为45.0kJ/m2。添加PEEK后,PTFE内部连续相遭到破坏,冲击韧度不断下降;但随着PEEK添加量继续增大,复合保持架材料的冲击韧度下降幅度降低,当添加的PEEK质量分数为35%时,冲击韧度下降到最小值,且随着PEEK添加量继续加大,复合材料的冲击韧度几乎不变,这可能是由于PEEK添加量达到一定程度时,复合材料就逐渐失去了PTFE的柔韧性。

表1 PEEK添加量对PTFE复合材料冲击韧度的影响

PEEK添加量对PTFE复合材料冲击韧度的影响

  2.3、抗压强度

  PEEK具有较好的刚性,添加后可使PTFE复合材料的抗压强度增大,当添加的PEEK质量分数为15%时,复合材料抗压强度为38MPa,比纯PTFE提高近3倍,如图2所示。此外,几种传统的PTFE基复合材料的抗压强度对比情况也可以从图2中看出,当增强组分为最佳添加量(15%)时,PTFE/PEEK复合保持架材料的抗压强度较高。这可能是由于PEEK与PTFE同属于聚合物,界面结合情况优于PTFE与无机增强材料合成的复合材料;且PEEK刚性好,结晶度大,自身抗压强度高,导致共混改性制得的PTFE/PEEK复合保持架材料抗压强度较大。

常用PTFE基复合材料的抗压强度

图2 常用PTFE基复合材料的抗压强度

  2.4、硬度

  PEEK添加量对PTFE复合保持架材料邵氏硬度的影响见表2。从表中可以看出,随着PEEK添加量的增加,复合材料的邵氏硬度逐渐增大。这是由于PEEK硬度较大,在复合材料中有效地承担载荷,增强材料硬度,也使PTFE/PEEK复合材料承载能力得以提升。硬度的提高可减小复合材料在摩擦接触表面的变形程度,增强复合材料的抗切削能力,有利于提升PTFE/PEEK复合保持架材料的耐磨能力。

表2 PEEK添加量对PTFE复合材料邵氏硬度的影响

PEEK添加量对PTFE复合材料邵氏硬度的影响

  2.5热变形温度

  不同PEEK添加量对PTFE/PEEK复合保持架材料的热性能影响如图3所示。从图中可以看出,添加PEEK能有效提升复合材料的热变形温度,复合材料的热变形温度随着PEEK添加量的增加几近呈线性增加。这主要是由于PEEK耐热性好,刚性强,在PTFE基体中添加PEEK后可使复合材料的刚性及耐热性增强,致使热变形温度提高,这也是PTFE/PEEK复合材料耐磨性能得以改善的又一原因。

PEEK添加量对PTFE复合材料热变形温度的影响

图3 PEEK添加量对PTFE复合材料热变形温度的影响

  2.6、摩擦磨损

  不同PEEK添加量对PTFE/PEEK复合保持架材料摩擦磨损性能的影响如图4和表3所示。从图中可以看出,当PEEK添加量较小时,摩擦因数较低,主要是由于转移膜以纯PTFE片状磨损为主,随着PEEK添加量逐渐增加,复合保持架材料的摩擦因数呈上升趋势,当添加的PEEK质量分数为15%时,复合材料的摩擦因数最大,磨损量趋于平稳。随着PEEK添加量的增加,转移膜逐渐变为PEEK增强PTFE基复合材料磨损物,转移膜的黏着强度、耐温性及硬度逐渐增强,慢慢地两对磨面变成了复合材料转移膜之间的磨损,所以摩擦因数又逐渐变小,但仍然比纯PTFE摩擦因数大。

  从表3中可以看出,随着PEEK添加量的增加,PTFE/PEEK复合保持架材料的磨痕宽度和磨损量逐渐下降。这主要是由于纯PTFE磨损过程发生严重的粘着磨损,PEEK的添加改变了基体PTFE的磨损机制,刚性PEEK粒子起到了支撑作用,阻止了PTFE大分子的带状撕离,片状磨损逐渐变小,复合材料耐磨性得以改善,磨损量低。这也可以从PTFE/PEEK复合保持架材料硬度变大得到解释。

PEEK添加量对PTFE复合材料摩擦磨损性能的影响

图4 PEEK添加量对PTFE复合材料摩擦磨损性能的影响

表3 PEEK添加量对PTFE复合材料磨痕宽度的影响

PEEK添加量对PTFE复合材料磨痕宽度的影响

3、结论

  (1)添加PEEK可以有效地改善PTFE复合保持架材料的耐磨性,提高抗压强度、硬度及热变形温度。

  (2)含有质量分数为15%的PEEK的PTFE复合保持架材料具有最佳的综合性能,抗拉强度为17MPa,冲击韧度为45.0kJ/m2,邵氏硬度为63SD,抗压强度为38MPa(比纯PTFE提高近3倍),热变形温度为102℃,摩擦因数为0.29,磨痕宽度为3.7mm,磨损量为3.4mg。

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