高聚物塑性流动磨损机理研究

V_01．13 1997年 7月 高分子材料科学与 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 PoI YM球 IC M IERIALS SCIENCE AND ENG~ NG No．4 Ju1．1997 高聚物塑性流动磨损机理研究‘ l{ K Friedrich ．，f￡ (Imfitute for( Ⅲ Maums~．L ⋯ y of Kaimr~aumrn．I(且lse 8u m ．Germany) 摘 要 ‘； 、 、 6 卜 J 连用聚醚畦翻(PEⅡc)为对摹，研完善无润滑紊件下的滑碲摩棒磨掘行为．根据实验蹦得的有 关特性．磨屑形态度试样摩擦面特舡+提 出了立性流动磨损机理，辫释 了蜜验现摹 关蕾词墨壁 嗵'旦擦曼塑，堂垫 ￡j 竺丝盥塑 聚 b， 聚醚醚酮(PEEK)是一种高性能热塑性结晶聚合物，近每来引起了广泛的注目。它具有高 强高模、韧性好、热稳定、耐化学环境、耐磨等特点，同时也是高性能树脂基复合材料优良的基 体材料，目前在军工和民用领域的应用越来越多、在摩擦件领域，PEEK因其良好的自润滑性 能而在恶劣环境中取代金属件，关于PEEK及其复合材料的摩擦磨损行为也成为一个研究热 点[ ，如Smlarskl报导了PEEK的滑动摩擦和滚动摩擦特性口]，8chlli~等探讨了PEEK在无润 滑条件下往复摩擦性能口]，Friedrich等则研究了摩擦对偶 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 面粗糙度、温度和分子量等对 PEEK摩擦磨损性能的影响 ，这些均为PEEK的应用提供了科学依据。 本工作采用自制的梢一盘式摩擦试验机[6]，定量测量了PEEK的摩损率和摩擦系数，并对 磨损机理进行了探讨，以期更探人地了解PEEK摩擦磨损过程的微观结构变化。 1 实验部分 1．1 试样 PEEK试样；分子量矾 ≈14000，注射成型后在260 C退火 60 rain，试样摩擦面截面积为 20~25 IrIIIl ，精动摩擦方向与注射方向垂直。在测量前，所有试样均经800号金相砂纸打磨。 1．2 滑动摩擦喇试 PEI~K的滑动摩擦性能测试是在自制的梢一盘式摩擦试验机 上进行的(图略)，作圆周运 动的试样与静止的钢环(i00 Cr 6，HRC 62)相摩擦，钢环表面粗糙度Ra为 0．2～0．3肿 ，其温 度是由一安装在接触面下4 IrIIIl处的热电偶测量，并通过控温装置控制在室温(～23 C)。在磨 合期结束后，开始测量磨损率，每个试验条件均测量 3个试样。载荷为 1～8 MPa，速度为 1 m／ ·国束教委辟世纪优秀人才基金．国束自然科学基金和德国科学研究协会(DFG)费曲课题 收甍日期：1995 06 26 维普资讯 http://www.cqvip.com 第 4期 常明秋等：高聚均塑性减动磨损机理研究 S。 1．3 其它表征 磨屑厦试样摩擦面形态特征，由Jeol 5400扫描电镜(sEM)观察，其热学性能由 Merrier DSC 30差示扫描量热仪完成，氮气气氛．流速 10 cm3／min，升温速度为2O C／win。 2 结果与讨论 2．1 PEEK的摩擦磨损性能 通常时间磨损率(即单位时间内摩擦试样高度的变化量)面比其它磨损率表征参数具有更 直接的工程应用意义，故 Fig．1首先显示了PEEK试样面与载荷 P以及载荷与速度的乘积(即 值)的关系曲线，由于滑动速度保持在 l m／s，故 值与P在数量上是相等的．当然它们的 物理含义不一致。从Fig．1中可见．在本工作的设定 范围内．面随 值的增加面增加．但其 变化斜率在 4 MPa·m／s处有一明显变化 考盘烈枣实验条件，该突变应是由于磨损机理的改 变或主要磨损机理(多种机理共最作用时)的贡献跋变新致。 为了从男一角度考虑PEEK瞬磨损特性，Fig,2还赞出了比磨率( )与 值及P的关系曲 线 与IJJ和Friedrich~!]的报导相似．在l～4 MPa之闻戢荷的提高并不引起磨搀率也的变化， 磨损率数值保持在低水平，当载荷超过 4矾Pa后，鸯掼率急剧上升，但仍未进人失稳状态，说 明PEEK的极限 值应高于8MP&·m／s 鉴于也 的量纲为(m'／Nm)，Fig．2所示的磨损特性可 从摩擦过程中能量输人的角度加以 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 ：在低 值区域，困磨损而离开PEEK试样的物质质 量(或体积)正比于输人功，当 值超过某一临界值时，单位输人功导致的物质损失偏离上述 线性关系，任何输人能量的增加均引起严重的磨损，显然材料的力学性能和磨损模式发生了变 化，涉及不同的摩擦磨损机理和能量损耗形式；也即，当 值高于 4MPa·in／s时．摩擦能损耗 较多．这与上一段的分析吻合。 Facte r(MPa·m／s) n l Oe0th wc 咖 of PEEK 姻 a r曲ctI衄 of尸v— n 2 f~tor iDd Ip0m~nt 髑叫 1 ， Fricflo~ eodlicient ot 既 瞄 a runefio．ot， I_咖 r i删 叩 舢 t 札 1 n ＆ 与磨损率测量结果不同，PEEK的摩擦系数 呈现另一种变化规律(Fig．2)：大致在 0．303 ～ O．482，与 值和P无关。通常高聚物的摩擦系数随载荷增加而增加，并随摩擦面温度上升 而提高 ，这种 与P之间的负变关系可用“热过程模型”解释 ，即当摩擦面温度达到高聚物 的熔点或软化点时，摩擦热将导致更多高聚物熔融，而不会使已经熔融的高聚物的温度进一步 提高，因此材料的摩擦系数必须随载荷变化以使摩擦温度保持在高聚物熔点附近 上述模型也 维普资讯 http://www.cqvip.com 高分子材料科学与工程 I 997年 适用于Fig．2的结果，由于本实验中所用梢一盘式摩擦试验机的摩擦面温度一直保持在室温， 所以瞬时高温(闲点温度)仅足以熔融或软化试样局部区域，形成大量转移膜，引起持续增加的 磨损(Fig．1)。据此可以认为，摩擦面温度对高聚物摩擦性能的影响比接触载荷或 舟值要显 著，亦即当摩擦面温度不变时，摩擦系数在一定的R 范围内不受载荷和 R 值变化的影响， PEEK的等温磨损研究为此提供了有力的证据口一。 2．2 磨损机理 为了进一步探讨PEEK的磨损机理，本工作对收集到的磨屑进行了分析 通过SEM观察， 发现磨屑的形态各异，有块状、棒状、片+棒状及片状等。根据磨屑的形成机理，可以认为上述 不同形态的磨屑是几种磨损机理共同作用的结果。一般而言，块状和棒状磨屑是微刨 的产物 片+棒状磨屑则是疲劳一剥层作用的产物，然而对于薄片状磨屑，难以用这些理论加以解释。在 高倍 SEM观察时，可以发现薄片状磨屑表面有熔融和塑性形变的痕迹，表明其形成机制另有 它因。 Fig,3显示了PEEK摩擦试样 的磨损面，其最显著的特征是四周 环绕的薄膜状“飞边”，带来明显的 熔融过的形态。结合前面关于磨损 屑形成的讨论，笔者认为薄片状磨 屑和试样周围的“飞边”源于塑性流 动机制：在磨台阶段，试样表面的徽 凸体部分发生变形或破坏，从而形 成 了微平台和磨损 沟槽 (Fig,4 一 一 rig,， Top v "0r Ihe PEEK n ith the surroandlag filmy laces~ (a)P lMPa，D—l m／s：tb)P=8MPa— l m／s． (a))，试样与钢环的接触也从檄凸体一徽凸体转为平面一徽凸体接触；在局部正应力、切应力和 摩擦热的作用下，试样徽平台上引发了塑性形变和流动：(1)微平台两侧的形变层垂直于滑动 方向挤出(Fig．4(h1))；(2)徽平台表面应 力集中处易发生塑性形变和流动(Fig,4 (b2))，这些塑性流动的树脂在重复应力作 用下相互连接，覆盖了一些磨损沟槽(Fig． 4(e1))和 Fig．4(c2))，其中有一部分由于 内部缺陷或应力集中而破裂成小碎片，离 开摩擦面，另一部分则继续向四周挤出，从 而在试样四周形成“飞边”。当钢环上的徽 凸接触到这些“飞边”时，容易引发裂纹，使 Fig．4 Sequmflalwe process top cflow 之破裂脱离试样，形成薄片状磨屑。Fig，4(d)展示了上述全部过程的示意图。 事实上，热塑性高聚物是典型的粘弹性材料，其蠕变极限往往是用作摩擦件时的强度极 限，正是由于这种粘弹性质，使高聚物在周期应力和瞬时高温下易于发生塑性流动，从而提供 了较显著的润滑作用r 人们在研究 P磷 的滚动磨损过程中也发现了塑性流动效应是主要 的磨损机理 ，此外，在 s45C钢的磨损过程中，塑性流动伺样起着重要的作用【l“，说明无论是 金属，还是高聚物皆会发生塑性流动控制的磨损 维普资讯 http://www.cqvip.com 第4胡 章明被等 高聚物基性箍动磨损机理研究 综上所述．PEEK的滑动磨损机理是微刨削、疲劳一剥层和塑性流动效应共同作用的结果， 由于疲劳一剥层效应强烈依赖于载荷，因此随载荷上升，这一效应的贡献增大．但塑性流动效应 的作用自始至终存在着．导致 PEEK的摩擦系数几乎不随压力的增加而变化。 2．3 DSC分析 PEEK是结晶性高聚物，其结构与性能受 结晶状况的影响极大，使用热分析技术应能有 效地反映材料和磨屑在摩擦过程中微观结构的 变化。 Fig．5是各种试样的DSC谱线，未经摩擦 试验的PEEK具有两个熔融峰(275 C和 345 C)，关于 PEEK熔融双峰的研究已有不少文献 报导tn]，这里不作讨论．重要的是与其它试样 之间的比较。从磨屑的DSC谱来看，其熔融峰 仅为单峰，蜂温较高．热焙也比原始试样有所增 加(Tab 1)。根据文献[n~s3可知，在 300 C或更 F1善5 DSC■曲由嘻trJu~ ofpEEK曲m ；l m／s{1{uDw0埔{ZI om pin‘0p 尸一 l MPa‘3{～ Ⅱ‘0p．尸一8 MPa{4：debris．P = 1 MPR{5‘jebris．P 3 MPa；6 den s P一 7 MPa‘7一debfis．P=B MPa 高温度下对 PEEK退火处理时，其低温熔融峰逐渐向高温峰移动．直至l重台，在这过程中晶片 变厚，热焙上升，因此．可以认为摩擦面的瞬间高温应在 300℃～345℃之闻．为聚合物的塑性 流动磨损提供了条件 Tab．1 Non-isothermalDSC analy~s of PEEK，thewom—n．top andfilew∞r del~is Sliding vd0ci竹口=1 m／ f丁 stan&~{orthe pe*kmeldngtemperature 0fthe eadotherm atthe heafngDSC }△陆 Mpre 口the corres~ndingheat otf m } and atethe col4-cry．~alUzadon№ Iperan】re and the relevant heat of cry☆UinHon 0f exotl~rm at the D6c_b'ace． 另一有趣的现象是在磨屑的Dsc谱线上出现了 1个放热峰(～1 50 C)，这是 PEEK原始 试样所没有的 显然这属于冷结晶峰．通常在无定形 唧 (的升温过程中可以观察到此峰[“]． 说明磨屑粒子在摩擦过程中有部分熔融，并且被抛离摩擦面的速度极快，以至来不及充分结 晶。I)SC的分析进一步证实了PEEK在摩擦过程中，发生局部塑性流动形变而引起磨损的推 测。 1 2 3 参 考 文 献 FnedrichK，Lu Z．Hi rA J r．App1．Fract．Mech．，1993，19：1 S~lars TA Wear．1992，l58 7l 5cheilingA，kau,~hHH．Rol】llm AC．Wear 1991．151：129 维普资讯 http://www.cqvip.com 高分子材料科学与工程 1 997蛀 4 5 6 Friedrich K，Karger—Kocsis J，Lu Z．Wear，190l，148：235 Lu Z．Degree s ofUnire ry of Kaiserdautern．1994 FriMfich K．wu J S．Polymer Comp~ s with H Wear Resistance．In Encyclopedia 0f G。rr1 Materials．Lee SM (Ed．)．、1 ，New Ybrk．1991．4：255 Anderson JC 1k W咀r and Fficfi~ 0fGmm盯c 1 Polymers andC：1p：i噼．In Friction andWear 0f Polymer Compoates．G。r 也 Ma ~xi s Seties．Friedrich K．(Ed．)．Bsevier．Amsterdam．1明 6．1：329 Stachowi ak G W ．1~mhelor A W Engineering Tribo]o~y，Elsevier，Amste~am，1993 Pulfc~dCTR J．A ppt 关于艾滋病ppt课件精益管理ppt下载地图下载ppt可编辑假如ppt教学课件下载triz基础知识ppt ．Polym．Sci．．1983，28：709 Akagaki T，Kam K Wear，1987，I17：l 79 sset~DC，(31leyR H，A1RaheIIIA ~L 蹦 ymer．1988，29：1745 CeheP．J．Ma ter．Sei．，1988，23：372l Ar~akA．E~azabat J I，Nazabal J．Polym．B辑 Sci．．1991，31：586 Ke~ny J，13'AnmceA．NicolaisL，et a1．SAm J．，1989，25：2Z WEAR 衄 YⅧ DUET0PLA 【c Fm W ZhangIVfinguiu ( 蚪讪 ＆ 肺妇 of 帅 Unhers／ty, 嘲妇“) K．F edrich (Institute for Composte Materials，Univemty of Kaiserslautem，Kaise~lautem ，Germany) Al rR c 【 Polyetheretherketone(PEEK)was employed as the model materia1．Its sliding wear and friction properties were measured hy IneaⅡs of a h0me-de pin—on-disk apparatus．As the sliding vdoci~ ．~Aras constant。the specific ar rateⅥ independent Of load ulider lower loading conditions but increased th a rise in 1oad urlder higher loading eonditkms~ frictional coefficient m s insensitive to the variation of contact pressure．Ⅲ possible hahi．as involved were analyzed on the basis of the wear debris morphology as well as the wP．~r performance．Besde~microcurfing and fatigue- delaraination processes，plastic flow caused by the combined actions of local normal and tangentia| loading as well as the frictional heat．is aaot~ important effect that should he responsible for the wear hehaviour of Pl弧 ‘ "fherma1 analysis further indicated that the friction inteHaeia1 temperature n~ght have ranged from 300 C 幻 345 C，here favouring plastic flow mechanisras to (~Eur and resulting in lubricating effects． Keywords PEEK，weal"andfrlcⅡon，sliding weal"，plasticflow 0 l 2 3 4 ； ； l 1 维普资讯 http://www.cqvip.com