PEEK填充PTFE的力学和摩擦学性能的实验研究

Experimental Study on the Mechanical and Tribological Properties of PEEK Filled with PTFE

摘要: 以聚四氟乙烯(PTFE)和聚醚醚酮(PEEK)为原材料，制备了PEEK/PTFE复合材料。研究了10% PEEK对PTFE的力学性能、摩擦学性能的影响。结果表明，在力学性能方面，添加10% PEEK的PEEK/PTFE复合材料的抗拉强度比纯PTFE提升了11.51%，抗压强度提升了40.76%，断裂伸长率降低了16.21%。在摩擦学性能方面，磨损率降低了实现了17.65%。通过扫描电镜观察磨损后的表面形貌，揭示了PEEK对PEEK/PTFE复合材料摩擦性能的影响规律，为研发新型PTFE基复合材料提供理论参考。

Abstract: PEEK/PTFE composites were prepared using polytetrafluoroethylene (PTFE) and polyetheretherketone (PEEK) as raw materials. The effect of 10% peek on the mechanical and tribological properties of PTFE was studied. The results showed that the tensile strength, compressive strength and elongation at break of PEEK/PTFE composites with 10% peek were 11.51%, 40.76% and 16.21% higher than those of pure PTFE. In terms of tribological properties, the wear rate was reduced by 17.65%. The effect of peek on the friction properties of PEEK/PTFE composites was revealed by observing the worn surface morphology with SEM, which provided a theoretical reference for the development of new PTFE matrix composites.

1. 引言

机械密封广泛使用在各类机械设备中，尤其是以航空航天、核工业和石油化工为应用背景的高参数设备中。机械密封的可靠性对整个设备的工作性能具有深远影响，它直接关系到设备的工作效率、稳定可靠性、安全保障以及使用寿命的长短。目前动密封活塞环的材料主要釆用高分子聚合物、固体润滑材料以及聚合物基复合材料，如聚四氟乙烯、聚酰亚胺(PI)以及聚醚醚酮等。PTFE作为一种卓越的动密封材料，在众多机械设备中得到了广泛应用，尤其是在对材料性能要求极高的航空航天、核工业及石油化工领域中的高参数设备上。它主要被制成密封垫、密封圈及填料等关键部件，确保设备的稳定运行。

PTFE因具有良好的自润滑性、延展性能、抗渗透性能和耐腐蚀等性能，是石油化工、医疗、机械和化学等行业中重要的工程塑料材料[1]。然而纯PTFE在展现其优越性能的同时，也暴露出了一些不容忽视的缺陷，如耐磨性能差、易发生蠕变等。因此对PTFE适当地增强、增韧改性，探索提升高分子材料的机械性能和摩擦学性能的机理，开发出一种具备低摩擦系数、卓越耐磨性、强大承载力，并能完美契合特殊领域需求的新型高性能聚合物，其迫切性愈发凸显。

近年来，国内外学者运用各类创新改性材料对PTFE进行了深入的改性研究。从传统材料如金属颗粒填料[2]-[4]、纤维填料[5]-[9]及无机粒子填料[10]-[14]，到近年来崛起的纳米科技——纳米粒子填料[15]-[19]，这些多样化的改性剂在不同程度上提升了PTFE复合材料的减磨耐磨性能。

佟伟[20]利用PPS与PTFE良好的相容性和协同效应，有效提升了PTFE的成型性、尺寸稳定性、抗蠕变性以及压缩强度。楚婷婷[21]等采用热模压工艺制备PEEK/PTFE复合材料，研究复合轴承材料拉伸强度、邵氏硬度和摩擦学性能。王枫等[22]通过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。

作者在前期的研究中，通过分子动力学仿真分析的方法，研究了添加不同质量分数的PEEK对PTFE力学性能和摩擦学性能的影响[23] [24]。PEEK/PTFE复合材料相比较于纯PTFE，在保证减摩性能基础上，耐磨损性能得到明显提升。当PEEK添加量为10%，PEEK/PTFE复合材料的力学性能较优，且具有较好的耐磨性。本文在前期研究的基础上，进一步从实验的角度研究PEEK对PTFE力学性能和摩擦学性能的影响，探索PEEK对PTFE力学性能和摩擦学性能的影响机制，同时也进一步验证仿真的准确性，为开发PTFE基复合材料提供理论和实验基础。

2. 实验

2.1. 原材料

聚四氟乙烯的生产厂家为日本大金氟化工有限公司，平均粒径为40 μm，密度为2.14~2.20 g/cm³；聚醚醚酮的生产厂家为吉林中研高分子材料股份有限公司，平均粒径24 μm，密度为1.4 g/cm³。

2.2. 复合材料的制备

将PTFE与PEEK粉末在150℃下烘干3 h，干燥后密封备用。使用电子天平按表1中的配比分别称取PTFE粉末、PEEK粉末，在高速共混机中以1200 r/min的速度进行混合，每次30 S，混合3~4次，混合均匀后的原料待冷却至室温后密封备用。对共混的原料进行成型压力30 MPa、加压速度20 mm/min的冷压成型，保持压力30分钟。为释放成型件的内应力，对冷压成型制备后的胚料静置12 h以上。脱模成型的坯料放入烘箱中，以50℃/小时的速率由室温缓慢升温到360℃，保温3~4 h，随后缓慢冷却至室温后取出样本，参考图1试样加工简图，经机加工得到所需的试样。

Table 1. Composition of PTFE composites

表1. PTFE复合材料的成分

复合材料	ω (PTFE)/%	ω (PEEK)/%
PTFE	100	0
10% PEEK/PTFE	90	10

(a) 拉伸试样

(b) 压缩试样 (c) 磨损试样

Figure 1. Test piece processing diagram

图1. 试样加工简图

2.3. 实验方法

在进行试件拉伸试验时，遵循GB/T 1040.2-2022《塑料拉伸性能的测定第2部分：模塑和挤塑塑料的试验条件》的规范。在压缩性能测试方面，依据GB/T 1041-2008《塑料压缩性能的测定》的标准进行操作。为了确保测试结果的精确性，选用了AG-X立式电子万能试验机来全面评估复合材料的拉伸和压缩性能。在拉伸试验中，设定了恒定的拉伸速度为50 mm/min，以确保测试的稳定性和准确性。对于压缩试验，准备了尺寸为10 × 10 × 4 mm的试样，压缩速度为1 mm/min，以模拟实际使用中的压缩环境。在摩擦磨损性能测试方面，遵循GB/T 3960-2016《塑料滑动摩擦磨损试验方法》的要求，使用了蚀微动磨损试验机。试样尺寸为30 × 7 × 6 mm，并选择了QT450作为摩擦副，其硬度达到HBW170。试验过程中采用了干摩擦无润滑的条件，在200 N的载荷、2 Hz的频率以及室温环境下进行。试验时间设定为0.5小时，往复行程为10 mm，速度为0.04 m/s。为保证实验数据的可靠性与统计意义，所有上述性能测试均设置三组平行实验，最终测试结果以三次实验数据的平均值为准，并基于该组数据计算标准差。

试验结束后，对试件进行了后续处理和分析。首先，我们通过称重计算出了磨损质量，以量化磨损率。接着，对试件进行了喷金处理，以增强其导电性。最后，采用了Zeiss Sigma 300扫描电子显微镜(SEM)对试样的磨损形貌进行了深入观察和分析，以揭示其磨损机制和特性。

3. 结果与讨论

3.1. 力学性能分析

表2详尽地列出了纯PTFE材料与10% PEEK/PTFE复合材料之间力学性能的对比数据。对于抗拉强度这一指标，10% PEEK/PTFE复合材料的数值为23.44 MPa，与纯PTFE材料的21.02 MPa相比，增幅达到了11.51%。而在伸长率方面，该复合材料的数值为212%，相较于纯PTFE材料的253%，也降低了16.21%。然而，值得注意的是，在抗压强度上，10% PEEK/PTFE复合材料展现出了显著的优势，其抗压强度高达259 MPa，相较于纯PTFE材料的184 MPa，实现了40.76%的飞跃性增长。这一结果揭示了PEEK材料的高刚性特性对PTFE复合材料抗压性能的积极贡献，进而可能延长该复合材料的使用寿命，并使其更适用于那些对密封性能有极高要求的严苛工作环境。深入剖析这一现象的内在机理，可以发现，PEEK与PTFE在结构上的差异导致了界面结合性的不足，进而使得复合材料的抗拉强度和伸长率有所降低，但PEEK的高刚性特点却为复合材料的抗压强度带来了显著的增强效果。同时，结合第2.2节中的力学性能模拟结果，可以进一步确认，10% PEEK/PTFE复合材料在分子链分布上更为均匀，这有助于降低应力集中现象，从而进一步提升材料的整体性能。

Table 2. Mechanical properties of composites

表2. 复合材料力学性能

复合材料	抗拉强度(MPa)	伸长率(%)	抗压强度(MPa)
PTFE	21.02 ± 1.25	253 ± 8.7	184 ± 6.3
10% PEEK/PTFE	23.44 ± 1.51	212 ± 7.2	259 ± 9.8

3.2. 摩擦性能分析

表3列出了纯PTFE材料与含有10% PEEK的PTFE复合材料在摩擦系数及磨损质量方面的对比数据。从表格中可以清晰地观察到，在承受高载荷时，纯PTFE材料的摩擦系数显著较高。然而，当掺入10%的PEEK材料后，尽管PEEK本身的摩擦系数较大，却导致了10% PEEK/PTFE复合材料的整体摩擦系数有所增加。具体而言，10% PEEK/PTFE复合材料的摩擦系数达到了0.1146，相较于纯PTFE材料的0.0985，其增长幅度达到了16.35%。这是因为纯 PTFE 因分子链间作用力弱，滑动时分子链易发生解缠结并转移至对偶面，形成低剪切强度的润滑转移膜，表现出极低的摩擦系数(0.0985)。当引入10% PEEK后，PEEK分子链中的刚性苯环结构与PTFE的柔性氟碳链之间形成较强的界面相互作用，一方面限制了PTFE分子链的自由滑移，增加了分子链间的内摩擦阻力；另一方面，PEEK的高模量特性使复合材料的表面硬度与剪切强度提升，滑动过程中需克服更强的界面黏附与剪切阻力，导致摩擦系数从0.0985升高至0.1146，增幅达16.35%。与此同时，在磨损质量方面，10% PEEK/PTFE复合材料展现出了显著的优越性。其磨损质量仅为8.4 mg，相较于纯PTFE材料的10.2 mg，实现了17.65%的减少。这一结果表明，PEEK刚性粒子的加入不仅增强了PTFE材料的抗剪切形变能力，还有效地降低了在摩擦过程中PTFE基体与摩擦副之间的犁削作用。这一发现为PTFE复合材料在需要承受高载荷及低磨损场景下的应用提供了有力的支持。

Table 3. The friction properties of composites

表3. 复合材料摩擦性能

复合材料	摩擦系数	增加百分比(%)	磨损质量(mg)	下降百分比(%)
PTFE	0.0985 ± 0.0052	0	10.2 ± 0.73	0
10% PEEK/PTFE	0.1146 ± 0.0068	16.35	8.4 ± 0.59	17.65

3.3. PEEK增强PTFE摩擦机理分析

图2展示了纯PTFE材料以及10% PEEK/PTFE复合材料在磨损后的表面形貌特征。从图中可以清晰地观察到，纯PTFE材料因在摩擦过程中的表面剥离现象，呈现出显著的裂纹网络，其表面布满了磨损痕迹与大量微小的脱落颗粒。这些颗粒在持续的摩擦作用下，逐渐从PTFE材料的本体中剥落，进而形成细碎的粉末状物质。反观10% PEEK/PTFE复合材料，尽管在摩擦过程中也遭遇了类似的微观裂纹与表面磨损现象，但其展现出了与纯PTFE材料截然不同的耐磨损性能。具体而言，相较于纯PTFE材料，10% PEEK/PTFE复合材料的表面划痕数量显著减少，且划痕深度更为浅显。这一显著变化得益于PEEK成分的加入，因其高硬度的物理特性，显著地增强了PTFE复合材料的表面硬度，赋予了该复合材料卓越的抗黏着磨损特性，有效提升了复合材料的耐磨性，从而抑制了表面剥离现象的进一步发展。进一步观察发现，10% PEEK/PTFE复合材料的表面颗粒物质明显减少，这一现象进一步证实了PEEK对复合材料耐磨性的积极贡献。相比之下，纯PTFE材料在经历磨损后，其表面变得异常粗糙，光滑度大幅下降。而10% PEEK/PTFE复合材料，凭借其卓越的表面硬度与抗剪切形变能力，展现出了更加优异的耐磨性能。总体而言，10% PEEK的加入不仅显著改善了PTFE复合材料的耐磨性能，还使得其表面变得更加平整光滑，为材料在更广泛的应用领域中提供了更为可靠的保障。

Figure 2. Worn of surface morphology of composites

图2. 复合材料磨损表面形貌照片

4. 结论

(1) 在力学性能方面，添加10% PEEK的PEEK/PTFE复合材料的抗拉强度比纯PTFE提升了11.51%，抗压强度提升了40.76%，断裂伸长率降低了16.21%。

(2) 在摩擦学性能方面，当掺入10%的PEEK材料后，使10% PEEK/PTFE复合材料的整体摩擦系数有所增加。但是磨损率降低了17.65%。

(3) 通过观察磨损表面形貌，发现10% PEEK的加入，显著地增强了PEEK/PTFE复合材料的表面硬度，赋予了该复合材料卓越的抗黏着磨损特性，有效提升了复合材料的耐磨性。