盡管PEEK有許多優異特性,但也存在著嚴重的由于摩擦作用而導致的磨損損失,這種磨損損失不僅縮短了使用壽命,而且一些先進的機械設備無法應用。由于PEEK難以滿足不同的使用要求,因此對PEEK的耐磨改性是國內外研究的熱點之一,研究的主要手段有纖維及晶須增強、納米粒子填充、共混等技術,不但可以大大降低使用成本,還能顯著改善PEEK的成型加工和使用性能,提高其綜合性能。
1.纖維及晶須增強
由于玻璃纖維(GF)、碳聚醚醚酮耐磨改性研究進展纖維(CF) 以及各種晶須與PEEK有良好的親和性,因此可作為填料增強PEEK,從而形成復合材料。在PEEK中加入GF或CF,可顯著提高復合材料的拉伸強度和彎曲強度;加入晶須,可大幅度提高復合度、剛性及尺寸穩定性。
1.1纖維增強
李皓等人采用模壓成型工藝研究了短CF增強PEEK復合材料的摩擦學行為。首先將預浸料放入模具中,加熱并對材料施以20MPa的壓力,壓實后,降溫、冷卻、成型。將純PEEK與復合材料的性能進行對比。結果表明，PEEK的摩擦系數隨時間的延長先增大而后趨于穩定,而復合材料的摩擦系數卻隨時間的延長而降低,且復合材料的磨損率均低于純PEEK。
M.Sharma等通過等離子體改性CF來提高復合材料的力學性能及摩擦性能。等離子體處理CF表面,相對于傳統方法如溶液浸漬法,能提高CF和PEEK基體界面的粘結強度,改善磨損性能。CF未經等離子體處理時,PEEK/CF 摩擦系數為0.12~0.21;CF經過等離子體處理后,PEEK/CF復合材料的摩擦系數降低了5%,力學性能得到進一步提升；摩擦介質對纖維增強PEEK復合材料的摩擦磨損性能有一定的影響。
1.2晶須增強
晶須是一種類纖維狀單晶體,長徑比通常在10~100 之間,在目前所知的增強體中,晶須是強度最高且性能最優的復合材料增強體之一。自其被發現以來,晶須的潛在應用價值得到了科研人員的廣泛關注。
研究發現,應用載荷對復合材料的摩擦行為有很大影響,隨著載荷的增加,復合材料的摩擦系數降低,在短CF含量較高的情況下,復合材料表現出卓越的摩擦學特性,但是在高載荷下磨損會增加;在PEEK/短CF復合材料中加入少量PTW,復合材料在高載荷下仍能保持較好的耐磨損性能。
林有希等人利用熱壓成型法制備了CaCO3晶須和聚四氟乙烯(PTFE)填充PEEK自潤滑復合材料,研究了干摩擦條件下復合材料和45#鋼環配副的摩擦磨損性能, 并與純PEEK進行了比較。結果表明,CaCO3晶須和PTFE改善了復合材料的減摩、耐磨和承載性能,其摩擦系數比純PEEK降低約1/2,耐磨性提高27 倍;摩擦穩定性顯著提高,極限承載能力比純PEEK提高1 倍以上。CaCO3晶須降低了復合材料摩擦表面的粘著、犁削和熱變形;PTFE有助于復合材料表面形成連續、均勻的轉移膜。自潤滑復合材料的磨損機制主要是輕微的粘著和疲勞磨損。
2 納米粒子填充
由于納米粒子具有優異的力學性能以及表面活性,將納米粒子填充到PEEK中,可以顯著改善復合材料的力學性能和摩擦性能。
彭旭東等人以熱壓成型法制備了納米Al2O3與PTFE填充PEEK復合材料,利用自制銷盤摩擦磨損試驗機,研究了干摩擦條件下復合材料的摩擦行為。結果表明,當納米Al2O3的質量分數為5%~7%時,復合材料的摩擦系數和比磨損率最低,并且隨著外加載荷的變化,摩擦系數呈現出一定的變化規律。
S.Mandal等人研究了納米鈦酸鋇與聚醚砜(PESU) 填充PEEK復合材料的力學性能和熱性能。實驗結果表明,當PEEK與PESU的質量比達到75∶25 時,復合材料的熱性能和力學性能達到最優;用雙螺桿擠出機將納米鈦酸鋇粒子混入復合材料中,發現納米鈦酸鋇的質量分數為2%~6% 時,復合材料的力學性能最好。
3 共混
汪懷遠等人采用模壓-濾取和高溫真空熔浸工藝,制備了PEEK/PTFE/活性碳纖維(ACF)自潤滑復合材料。考察了ACF、微米級造孔劑NaCl含量及載荷對其摩擦性能的影響。結果表明, 當載荷為200 N、ACF質量分數為8%、NaCl質量分數為30%、PTFE質量分數為20% 時,復合材料的摩擦系數和磨損率最低, 摩擦系數為0.0259,磨損率為5.26×10-16m3/N·m,與普通CF增強PEEK復合材料相比,摩擦系數減小86%, 耐磨性提高了16 倍。
畢俊等人利用可熔融共聚氟樹脂與PEEK共混,通過注塑成型制備了PEEK/共聚氟樹脂共混物,并與PEEK/PTFE共混物進行了比較。當共聚氟樹脂或PTFE的質量分數為20% 時,通過SEM圖觀察發現,分散相共聚氟樹脂在基體PEEK中的分散均勻,粒徑均一,而PTFE的分散不均勻,粒徑大小也不一。在100 N和200 N載荷下,PEEK/共聚氟樹脂共混物的摩擦系數分別為0.11,0.1 而同等條件下PEEK/PTFE共混物的摩擦系數分別為0.19,0.13,PEEK/共聚氟樹脂共混物的摩擦系數降低。
4 結語
雖然對PEEK耐磨改性的研究已取得較大進展,但是與實際需求還存在著較大差距。未來的研究熱點將逐漸集中在開拓新的改性方法、增加添加成分的種類,解決PEEK與其它物質的相容性等問題上。隨著科技的發展,高性能PEEK耐磨材料的應用將具有十分廣闊的發展前景。
