聚四氟乙烯／聚醚醚酮复合保持架材料性能试验分析

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Experimental Analysis of Performance for PTFE/PEEK CompositeUsed in CagesWang Feng，Sun Xiao-bo，Shi Lian-wei(Luoyang Bearing Science and Technology Co.，Ltd.，Luoyang 471039，China)Abstract：In order to investigate the effect of PEEK Of the properties of PTFE/PEEK composite，the efects of contentof PEEK on the mechanical properties，friction and wear properties，and thermal property of the composite are studied。

The results show that when the content of PEEK is 15wt% ，the composite has the optimal combination property.Thecompressive strength increases nearly three times.the heat distortion temperature increases 42℃ and wear-resistanceproperty is greatly improved compared with pure PTFE。

Key words：cage；PTFE；PEEK；tensile strength；friction coefficient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-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-类倍受欢迎的减摩耐磨材料。

下文以PrIFE为基材，PEEK为共混增强改性收稿日期：2012-08-22；修回日期 ：2012-12-12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 40 m；PEEK450PF，粒 径 75 m。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25 mm，在 150 oC下干燥3 h或 160 oC下干燥2 h，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 15 S，转速为 10 000～12 000 r/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～不同配比的 -FE/PEEK混合料冷压成型后烧结制备出PTFE/王枫，等：聚四氟乙烯/聚醚醚酮复合保持架材料性能试验分析 ·39·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/T 1043-2008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1 000金相砂纸打磨至表面粗糙度 Ra0.03 I.zm，试验条件 为 干 摩 擦，载荷 为 140 N，滑 动 速 度 为2.56 m/s，时间为30 min；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 1.80 MPa，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 -FE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-定的抗拉强度，添加的 PEEK质量分数不宜超过 20%。

四o骥辍PEEK质量分数/%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 FE复合保持架材料冲击韧度的影响见表 l。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 45.0 kJ!m 。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-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 FE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 38 MPa，比纯PrFE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 FE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。

图2 常用 FE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∞ 如 加 m O趟骥蹬《轴承)2013.No.3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 FE复合材料邵氏硬度的影响!兰 堕里坌塑邵氏硬度/SD 60 62lO 15 20 3O 4063 63 64 67 682.5 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 FE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-原因。

l1赠 10 10 20 30 40PEEK质量分数/%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 FE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 FE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P1FE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，磨损量降低 J。这也可以从 PTFE/PEEK复合保持架材料硬度变大得到解释。

彝驳糍酱PEEK质量分数/%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质量 0 5 1015 2O 3O 40 0 5 10分数/%磨痕宽度/mm 11.2 6.6 5.0 3.7 3.4 3.0 2.53 结论(1)添加 PEEK可以有效地改善 FE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 17 MPa，冲击韧度为 45.0 kJ/m ，邵氏硬度为63 SD，抗压强度为 38 MPa(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 3.7 mm，磨损量为3.4 mg。