聚醚醚酮及其复合材料摩擦学研究近况

近年来 ,国内外的摩擦学研究者对聚醚醚酮 (PEEK)及其复合材料的摩擦学行为进行了广泛的研究 ,目的是在保持 PEEK其它优越性能的基础上 ,使其减摩和抗磨性能有所提高 ,以扩展这一新型工程塑料的应用领域。本文对 PEEK及其复合材料的摩擦学研究近况进行了综述。     

聚醚醚酮基复合材料端面摩擦热的有限元数值模拟

树脂基复合材料导热困难,聚热严重,所以端面摩擦热对其使用性能起到关键作用。文中根据聚醚醚酮(PEEK)复合材料在持续旋转双环摩擦运动作用下端面摩擦热产生的特点,运用有限元方法建立二维轴对称模型,研究复合材料的实时温度场分布,分析端面摩擦热对复合材料摩擦学性能的影响。最后,选取纯PEEK来验证模拟方法的可行性。研究结果表明:模拟得到的最高温度值和实测值误差小于2%,有限元方法可以比较准确地预测树脂基复合材料在连续的摩擦过程中任意时刻任意位置的温度值,可为树脂基复合材料的摩擦学应用及设计提供参考。     

聚醚醚酮基复合材料端面摩擦热的有限元数值模拟EI北大核心CSCD

树脂基复合材料导热困难,聚热严重,所以端面摩擦热对其使用性能起到关键作用。文中根据聚醚醚酮(PEEK)复合材料在持续旋转双环摩擦运动作用下端面摩擦热产生的特点,运用有限元方法建立二维轴对称模型,研究复合材料的实时温度场分布,分析端面摩擦热对复合材料摩擦学性能的影响。最后,选取纯PEEK来验证模拟方法的可行性。研究结果表明:模拟得到的最高温度值和实测值误差小于2%,有限元方法可以比较准确地预测树脂基复合材料在连续的摩擦过程中任意时刻任意位置的温度值,可为树脂基复合材料的摩擦学应用及设计提供参考。     

酸性介质中不同聚醚醚酮纳微复合材料的耐蚀与耐磨性能

分别研究了不同质量分数的纳米SiC填充碳纤维/聚醚醚酮(CF/PEEK)和钛酸钾晶须/聚醚醚酮(PTW/PEEK)复合材料在pH=1的硫酸溶液中的耐蚀性能和摩擦学性能。采用电化学工作站评价复合材料的耐蚀性能,使用差热分析仪与扫描电镜分析了复合材料的玻璃化转变温度与磨损面的形貌,并讨论了复合材料的防腐和耐磨机理。结果表明,在腐蚀性介质中质量分数2.5%纳米SiC增强复合材料的耐蚀性最佳,此时纳米SiC增强PTW/PEEK复合材料的耐蚀性能优于纳米SiC增强CF/PEEK复合材料。在酸性环境下,2.5%纳米SiC增强复合材料的摩擦学性能最佳,在滑动摩擦过程中,PTW不但起到了承载的作用,而且暴露的PTW可以填充到对偶面的划痕之中,减小了纤维对复合材料的刮擦以及磨粒磨损程度,所以相同含量纳米SiC增强PTW/PEEK复合材料优于CF/PEEK的摩擦学性能,其耐磨性是CF/PEEK复合材料的5倍。     

耐高温聚合物及其复合材料的摩擦学性能研究进展

综述了聚四氟乙烯(PTFE)、聚苯酯(Ekonol)、聚酰亚胺(PI)、聚醚醚酮(PEEK)、聚苯硫醚(PPS)等几种耐高温聚合物及其复合材料的摩擦学性能的研究现状;并分析了不同种类的填料,如聚合物混合填充、固体润滑剂、纤维、无机化合物以及无机纳米粒子等对耐高温聚合物基复合材料摩擦学性能的影响,许多研究结果表明,适量填料的加入能改善聚合物基复合材料的摩擦学性能,特别是几种填料的协同作用对改善摩擦学性能有更明显的效果.     

水润滑条件下氧化锆颗粒及碳纤维共混增强聚醚醚酮复合材料的摩擦性能研究

通过熔融共混法制备了碳纤维(CF)和氧化锆颗粒(ZrO_2)共混增强聚醚醚酮(PEEK)复合材料,并对其水中的摩擦学性能进行了研究。实验结果表明,该混杂增强复合材料在水中具有优异的摩擦学性能,其摩擦系数随载荷的增加无明显变化,而磨损率则随着载荷的增加而逐渐降低。该材料在水中的磨损机制主要表现为轻微的磨粒磨损和疲劳磨损,碳纤维是复合材料耐磨性得到增强的主要原因,其作为复合材料摩擦面表层的主要承载相,承担了两摩擦面之间的大部分载荷,并保护聚合物基体免于受到对磨副的严重磨损。氧化锆颗粒的加入则有效抑制了摩擦过程中碳纤维的破损与脱落,从而使得混杂增强PEEK复合材料比单纯碳纤维增强的PEEK复合材料具有更加优异的耐磨性能。但过多颗粒的加入会加剧疲劳磨损,从而降低材料的耐磨性。     

聚醚醚酮复合材料的研究进展

复合改性是进一步提高聚醚醚酮(PEEK)使用性能、扩展其应用领域的重要途径.本文综述了PEEK在热机械性能、摩擦学性能等方面的复合改性研究进展,以及PEEK复合材料在生物假体材料领域、磺化PEEK复合材料在质子交换膜领域的应用研究进展.     

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

采用模压-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(NaCl)、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20%(质量分数,下同)、NaCl为30%、炭纤维层间间距为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0.0192,3.47×10-16 m3/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;NaCl形成的多孔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,NaCl提高多孔PEEK复合材料摩擦磨损性能。     

纳米ZrO_2和聚醚醚酮填充聚四氟乙烯的摩擦学性能基于环-块摩擦模型的演变过程

用不同体积分数的纳米ZrO_2和聚醚醚酮(PEEK)颗粒填充改性聚四氟乙烯(PTFE)复合材料。使用环-块摩擦磨损试验机测试PTFE复合材料在滑动速度为2 m/s、载荷为200 N的试验条件下的摩擦学性能。获取不同阶段摩擦学性能的数据,计算出在整个试验过程中样品的瞬时磨损率。利用扫描电镜观察不同试验阶段对偶钢环表面形貌的变化图像并进行分析。利用仿真模拟软件(ABAQUS)对摩擦过程中PTFE复合材料的接触应力变化进行分析。结果表明,纳米ZrO_2和PEEK颗粒可以协同改善PTFE复合材料的摩擦学性能。特别是添加8%的纳米ZrO_2和20%的PEEK能使PTFE复合材料同时获得最佳的耐磨性(1.29×10~(-6) mm~3/Nm)和较低的摩擦系数。在摩擦试验的后期PTFE复合材料的瞬时磨损率突然急剧上升。根据瞬时磨损率、磨损表面、转移膜形貌和磨屑形态特征的变化规律,将整个磨损过程分为3个阶段(低磨损阶段、过渡磨损阶段和严重磨损阶段)。     

烧结温度对石墨烯填充聚醚醚酮/聚四氟乙烯摩擦磨损性能的影响

为探究石墨烯填充聚醚醚酮/聚四氟乙烯（PEEK/PTFE）复合材料制备过程中烧结温度对复合材料摩擦磨损性能的影响,基于分子动力学模拟研究方法,分别构建10%PEEK/PTFE和1%石墨烯/10%PEEK/PTFE体系模型,通过模拟复合材料制备过程中不同的烧结温度,得到复合材料对应的力学和摩擦学性能相关参数。在不同烧结温度制得10%PEEK/PTFE和1%石墨烯/10%PEEK/PTFE样品,进行了摩擦磨损试验及磨损形貌分析。结果表明,采用石墨烯填充PEEK/PTFE复合材料可以有效改善复合材料的摩擦磨损特性,不同烧结温度对复合材料分子间作用力、材料力学特性和摩擦特性表现出不同程度的影响,当烧结温度为360℃时,复合材料分子间作用力、材料力学特性和摩擦特性均达到峰值。     

Influence of CaCO3 Whisker Content on Mechanical and Tribological Properties of Polyetheretherketone Composites

The mechanical and tribological properties of polyetheretherketone (PEEK) composites filled with CaCO3 whisker in various content of 0-45% (wt pct) were investigated. The composite specimens were prepared by compression molding. Tribological testing of composites in dry wear mode against carbon steel ring was carried out on a MM200 block-on-ring apparatus. Data on neat PEEK were also included for comparison. It was observed that inclusion of CaCO3 whisker affected the most mechanical properties and the friction and wear in a beneficial way. With an increase in CaCO3 whisker content, friction coefficient continuously decreased but the trends in wear performance varied. The specific wear rate showed minima as 1.28×10-6 mm3/Nm for 15% CaCO3 whisker inclusion followed by a slow increase for further CaCO3 whisker addition. In terms of friction applications, when the tribological and mechanical properties are combined, the optimal content of CaCO3 whisker in the filled PEEK should be recommended as 15% to 20%. Fairly good correlations are observed in friction coefficient vs bending modulus and wear rate vs bending strength, confirming that the bending properties prove to be the most important tribology controlling parameters in the present work.     

聚醚醚酮复合材料的摩擦学研究

采用模压方法制备了多元PEEK耐磨汽车材料。用环-块磨损实验机对复合材料进行了磨损试验,用SEM方法对复合材料的磨损表面进行了观察和分析,并利用DSC、FT-IR和SEM分析方法对复合材料的磨屑进行了研究,在上述基础上进行了复合材料的磨损机理探讨。结果表明,与PEEK相比,PEEK复合材料具有优良的摩擦学性能;PEEK复合材料磨屑的熔点比相应模压材料有所降低,且磨屑的熔限比相应的模压材料有所加宽;随着Ekonol含量的增加,复合材料的磨损机理发生了由粘着磨损为主向疲劳磨损为主的转变。     

碳纤维增强聚醚醚酮复合材料滑动磨擦转移膜的性能

通过摩擦实验及X射线光电子能谱分析（ESCA）研究了碳纤维增强聚醚醚酮滑动时形成的转移膜的摩擦性能,结果表明,与纯聚醚醚酮和聚醚醚酮＋聚四氟乙烯相比,碳纤维增强聚醚醚酮材料形成的转移膜薄,连续性均匀性好,因此其磨擦学性能好转移膜的成分沿其垂直于膜面的方向变化,表明此膜中存在着石墨和聚四氯乙稀的优先转移提出滑动磨擦转移膜的形成的粘着转移机制     

羟基磷灰石的表面改性对羟基磷灰石/聚醚醚酮复合材料力学和摩擦性能的影响

采用共沉淀法制备纳米羟基磷灰石（HA）,并用硅烷偶联剂KH560对其进行表面改性;然后,以聚醚醚酮（PEEK）为基体,通过热压成型工艺制备原始HA/PEEK与改性HA/PEEK复合材料。考察两种HA的引入对复合材料结构、力学性能和摩擦性能的影响。利用XRD、FTIR、FESEM、拉伸测试、DMA和摩擦测试对两种HA/PEEK复合材料的结构和性能进行了表征。结果表明：HA表面引入了硅烷偶联剂KH560;改性前后HA的晶型结构没有明显改变;两种HA对PEEK基体的结晶结构也没有产生影响;改性HA在PEEK基体中分散均匀;与纯PEEK相比,10wt%改性HA/PEEK复合材料的储能模量增加了55.56%,玻璃化温度增加了3.6℃,磨痕深度降低了31.1%,有效改善了复合材料的热力学性能和摩擦性能;改性HA/PEEK拉伸强度为68.33 MPa,能够满足人骨的强度要求。     

Thermal aging effects on mechanical and tribological performance of PEEK and short fiber reinforced PEEK composites

The effects of thermal aging on the properties of unfilled and random oriented short fiber reinforced PEEK and its composites have been studied. After the isothermal aging process, there is a remarkable decrease in degree of crystallinity but more organized crystallize structure achieved. As a result of transcrystalline layer formation, there was a considerable increase in the flexural modulus of materials. Thermal aging affects the impact properties of filled and unfilled PEEK dramatically. F_max, E_max and E · F_max results of both filled and unfilled aged PEEK and its composites are dramatically decreased. Thermal aging makes materials more brittle and there was a significant decrease in toughness. % Crystallinity is not the unique parameters to determine polymer’s performance. The orientation of crystals is another important parameter in microstructure and plays important role in mechanical and tribological properties of PEEK and its composites. There is a close relationship between thermal aging and microstructure. But there is not a linear relationship between microstructure and tribological properties. Microstructural changes after thermal aging serves developed mechanical properties. Increased mechanical properties results in improved tribological properties.     

Surface oxidation of carbon fibre on tribological properties of PEEK composites

Abstract

In this work, ozone modification method and air oxidation were used for the surface treatment of polyacrylonitrile (PAN) based carbon fibre. The surface characteristics of carbon fibres were characterised by X-ray photoelectron spectroscopy. The interfacial properties of carbon fibre reinforced PEEK (CF/PEEK) composites were investigated by means of the single fibre pull-out tests. As a result, it was found that IFSS values of the composites with ozone treated carbon fibre are increased by 60% compared with that without treatment. X-ray photoelectron spectroscopy results show that ozone treatment increases the amount of carboxyl groups on carbon fibre surface, thus the interfacial adhesion between carbon fibre and PEEK matrix is effectively promoted. The effect of surface treatment of carbon fibres on the tribological properties of CF/PEEK composites was comparatively investigated. Experimental results revealed that surface treatment can effectively improve the interfacial adhesion between carbon fibre and PEEK matrix. Thus the wear resistance was significantly improved.     

多孔PEEK自润滑材料的制备与摩擦磨损性能

采用模压-滤取和高温真空熔渍工艺制备了多孔聚醚醚酮(PEEK)发汗式自润滑材料,并分别考察了成型压力、造孔剂含量和润滑油脂种类对PEEK多孔自润滑材料的摩擦磨损性能的影响。结果表明,压力为100MPa,NaCl的质量分数为30%,采用通用锂基脂时,所得多孔PEEK自润滑材料的磨损率最低,200N下磨损率为2.73×10-16m3/(N.m),与纯PEEK干摩擦相比耐磨性提高了1245倍,其耐磨性较经典的炭纤维增强PEEK复合材料还提高了32倍。研究表明,多孔结构能够储存润滑油,在摩擦过程中能通过发汗作用在对偶面上形成稳定连续的油膜而起到良好的润滑作用,从而大幅降低复合材料的摩擦系数和磨损率。