peek多元復(fù)合材料在不同轉(zhuǎn)速下的摩擦學(xué)性能和磨損機理

1、第 1 9卷 第 1期 2 0 0 4年 1月湘 潭 礦 業(yè) 學(xué) 院 學(xué) 報 J ． XI ANGTAN M I N． I NS T Vol _ 1 9No ． 1M a r c ．2 0 0 4文 章 編 號 ： 1 0 0 0 — 9 9 3 0 ( 2 0 0 4 ) 0 1 — 0 0 3 5 — 0 4P E E K 多元復(fù)合材料在 不 同轉(zhuǎn)速 下的 摩 擦學(xué)性 能和磨 損 機理 龍 春 光 ( 湖南科技大學(xué) 材料表面工程研

2、究所 ， 湖南 湘潭 4 1 1 2 0 1 )摘 要 ： 用模壓 方法制備 了 E k o n o l ／ G ／ Mo S 2 ／ P E E K 復(fù)合材 料 ． 通 過摩擦 磨損 實驗 方 法對 其在不 同轉(zhuǎn)速 下摩 擦 學(xué)性能進(jìn) 行 了研 究， 并用 S E M 對磨損表 面進(jìn)行 了觀察 和分析 ， 在此基礎(chǔ)上探討 了復(fù)合材料的磨損機理． 結(jié)果表明 ： P E E K復(fù)合材料摩 擦 系數(shù)的大 小與轉(zhuǎn)速 的大小有 關(guān)； 在 3 0

3、 0r p m 以下， 隨著轉(zhuǎn)速 的增 大 ， 復(fù)合材料的磨損 呈先增加后減 小趨 勢， 其磨損機理發(fā) 生 了由粘著磨損 向疲勞磨損 的轉(zhuǎn)變． 轉(zhuǎn)速 大于 3 0 0r p m 時， 復(fù)合 材料的摩擦 系數(shù)再次增大 ， 磨損加?。?圖 8 ， 參 l 1 ．關(guān) 鍵 詞 ： 轉(zhuǎn)速 ； 摩 擦 學(xué)性 能 ； 磨損機理 ； 復(fù)合材料 中 圖 分 類 號 ： T B 3 3 2 ； T Q3 2 6 ． 5文 獻(xiàn) 標(biāo) 示 碼 ： A聚醚 醚酮

4、( P E E K) 是英 國 于 2 O世 紀(jì) 7 O年代 開 發(fā) 的一 種 熱 塑性 結(jié) 晶 型 聚合 物 ， 具有 優(yōu) 良的機 械性能 、 耐 化 學(xué)腐 蝕性 、 熱穩(wěn) 定 性 和摩 擦 磨損 性 能 ， 同時 也是 高性 能樹 脂 基復(fù) 合 材 料較 為 理 想 的基 體 材 料 ， 廣泛 應(yīng) 用 于 汽 車 、 航 空 航 天 和 機 械 電 子 等 領(lǐng) 域 ． 因 此 ， 近 年 來 對 P E E K 及 其 復(fù)合 材 料

5、 的研 究 相 當(dāng) 熱 門 ， 尤 其 是 其 摩 擦 學(xué) 性 能與 機理 的研究 [ 1] ．作 為 高 溫 結(jié) 構(gòu) 材 料 ， 尤其 用 于 制 造齒 輪 、 軸 承 、 軸 瓦 等 承力 部 件 ， P E E K 及 其 復(fù) 合 材 料 的 P V 極 限值 和 耐磨性 能 是很 重 要 的性 能 衡 量指 標(biāo) ． 因此 ， 作 者在 制 備 E k o n o l ／ G／ Mo S ： ／ P E E K 復(fù) 合 材 料 的

6、 基 礎(chǔ) 上 ， 對 該 復(fù) 合 材料 在 不 同轉(zhuǎn) 速 下 的摩擦 學(xué) 性 能 和磨 損機 理 進(jìn)行 研 究 ， 具有 較 大 的 理論 和 實 際應(yīng) 用 價值 ．1實驗 部 分 1 ． 1 試樣 的 制 備 用 模 壓法 制 備 E k o n o l ／ G／ Mo S ： ／ P E E K 復(fù) 合 材 料 的工藝過程如圖 1 所示． 具體說明如下 ：圖 1 模 壓 法 制 備 復(fù) 合 材 料 的 工 藝 過 程 F i g

7、． 1Te c h n i cp r o c e s so fc o m p o s i t ep r e p a r e db yt h et o m p r e s s i n gmo d e lme t h o d1 )原 料 以及 共 混 后 樣 品用 干 燥 箱 進(jìn) 行 充 分 干 燥 ( 1 2 0 ℃ × 3 ～ 5h ) ；2 )通過參考文獻(xiàn)[ 7 ] ， 固體潤滑劑量石墨 G和二 硫 化 鉬 Mo S z的

8、總 質(zhì) 量 分 數(shù) 為 8， 且 按 m( G)：m( Mo S z ) 一 7：1配 比 ， E k o n o l 質(zhì) 量 分 數(shù) 為 1 5 ％ ， 其 余 為 P E E K；3 )采 用 TM2型渦 流式 高效 混料 機 混 料 4 ～ 6h ；4 )材料 的預(yù)壓 和壓制成 型在 四柱式平板 壓力機 ( 硫 化機 ) 上進(jìn)行 ， 采用 自制 的固體 復(fù)合脫模劑進(jìn)行脫模 ；5 )燒 結(jié) 在 S X 2 - 8 - 1 0型 箱

9、式 電阻 爐 里 進(jìn) 行 ， 溫 度 為 3 8 0 ±5℃ ；6 )預(yù) 壓后 進(jìn) 行燒 結(jié) 時保持 一 定 壓 力 ， 以減 少制 品 缺 陷 ； 壓 制成 型過程 中 ， 應(yīng) 進(jìn) 行 多 次脫 氣 ， 壓 力 由小 到 大 ， 待 溫 度 降 到 一 定 值 時 再 按 工 藝 要 求 進(jìn) 行 保 壓 ( 5MP a ) 冷 卻 ( 空 冷 ) ．1 ． 2 性能 測試 1 )摩 擦磨 損 實 驗在 MR H一5 A 型環(huán)

10、 塊 磨 損 試 驗 機上完成． 實驗參數(shù)如下 ：試樣 尺寸 1 9 ×1 2 ． 3mm， 對 摩 件 是 為 牽 4 Omm 的 4 5鋼 環(huán) ， 硬 度 HR C 4 85 5 ； 載 荷 ： 2 0 0N； 磨損 時 間 ： 2h ； 摩擦 狀態(tài) ： 室 溫 下 干摩 擦 ； 轉(zhuǎn)速 ： 1 0 0 、 1 5 0 、 2 0 0 、 2 5 0 、3 0 0 、 3 5 0r p m ． 實驗數(shù)據(jù)為每組取 5個試樣的平

11、均值．具 體計 算 如下 ：收 稿 日期 ： 2 0 0 3 一 O 8 — 1 5基 金 項 目 ： 湖 南 省 教 育 廳 項 目資 助 ( 編 號 ： 0 1 C 3 5 2 )作者 簡 介 ： 龍 春 光 ( 1 9 6 5 一 ) ， 男 ， 湖 南 科 技 大 學(xué) 副 教授 ， 博 士 ， 主 要 從 事 高 分 子 復(fù) 合 材 料 及其 摩 擦 學(xué) 研 究 維普資訊 http://www.cqvip.com 第 1 9 卷

12、第 1 期 允春光 t P E E K多 元復(fù)合材料在 不同轉(zhuǎn)速下 的摩擦 學(xué)性 能和磨損 機理 S E M 照片． 可以看到 ， 除磨損 表 面因擦 傷或硬 的微 凸體 的微切 削作用而產(chǎn) 生的寬窄不一 、 深 淺不 同的犁 溝 之外 ， 圖 4 和圖 5可見明顯的撕裂現(xiàn)象． 這是 由于轉(zhuǎn)速 較低時 ， 兩摩 擦表面相接觸 的微 凸體所承 受的壓力 較 大 ， 易于發(fā)生塑性 變形 ， 在剪切力 的作用 下牯著結(jié)點會 發(fā)生剪切斷裂 ，

13、 脫落成磨 屑或隨著摩擦 接觸面 而發(fā) 生 遷移． 因此其磨損機理為牯著磨損．圖 6 、 7 、 8中幾 乎 看不 到 固牯著而 產(chǎn) 生的撕 裂 現(xiàn) 象 ， 但從圖 7 和 圖 8可看到深淺不 同， 大小不一 的痘斑 狀 凹坑 。 或較大面積的表層剝落 ， 這是典 型的表面疲勞 磨損 特征． 這是 由于在摩擦磨損實驗過程中， 由于載荷 的作用 ， 復(fù)合材料 中的 E k o n o l 硬質(zhì)顆?；蛉?陷將成為 應(yīng)力集 中源 ， 即在其周

14、 圍容易出現(xiàn)應(yīng)力集 中， 從而使其 周圍的材料產(chǎn)生塑性變形甚 至塑性流 動． 當(dāng)對 磨面上 的硬 凸峰在復(fù)合材料表面滑 動時 ， 這些硬 質(zhì)點 或缺陷 就不斷受到循環(huán)載荷的作 用 ， 使周 圍的應(yīng)力 和材料 的圖4 轉(zhuǎn)速為 1 0 0r p m時的磨損表面 S E M 照片F(xiàn) i g4S E M mo ~h o l o g yo ft h ewo m s u r f a c ewh e nt h er o t a t es p e

15、e di s1 0 0r p m 囤 6 轉(zhuǎn)速為 2 0 0m對的磨損表 面S E M 照片F(xiàn) i g ． 6S EM mo r ph o l o g yo ft h ewo r ns u dc ewh e nt h er ot at es p e e di s2 0 0r p m 塑性流動不 斷增大 ， 過大 的應(yīng) 力集 中和塑性 流動就會 導(dǎo)致硬質(zhì)顆 粒或缺陷處萌生疲 勞裂紋． 裂紋萌生 以后 ，由于復(fù)合材料試塊承受周期性載荷 的

16、作 用 ， 裂紋 會因 此而發(fā) 生擴展 ， 當(dāng)裂紋擴展到一定程度時 ， 就會在復(fù)臺 材料的表層 內(nèi)形成平行 于表 面的細(xì)小疲勞裂 紋． 此后 隨著滑動的作用 ， 接觸疲勞加劇 ， 最終使該處 的材料從 表層脫 落 ， 在磨 損 表 面 留下 剝 落坑 ， 即 出現(xiàn) 疲 勞磨 損I l L ] ．此 外， 在圖 7 的中上部 可以看 到 白色顆粒 鑲嵌在 磨損面上 ， 右邊 是其因切削作用 而產(chǎn)生的磨痕． 說明材 料發(fā)生了磨 粒磨損． 這

17、是 E k o n o l 硬質(zhì)點 因切 削力的作 用從表 面脫 落而造成的．綜上所述 ， 除犁耕和微量 的磨粒磨損外 ， 隨著轉(zhuǎn)速 的增 大 ， E k o n o l ／ G ／ Mo S 2 ／ P E E K 復(fù)合 材 料 的磨 損機 理發(fā)生 了從牯著磨損 向疲勞磨損 的轉(zhuǎn)變．圖 5 轉(zhuǎn)速 為 1 5 0r p m 時的磨損 表 面 S E M 照片F(xiàn)i g5S EM mo r p h o l o g yo fwo l &#