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以下文章来源于轴承杂志社 ，作者万磊，刘丽彬，等

轴承杂志社《轴承》创刊于1958年，由洛阳轴承研究所主管、主办，是轴承行业权威的综合性科技期刊，国内外公开发行，历届中文核心期刊、科技核心期刊。

以碳化硅（SiC）和聚醚醚酮（PEEK）复合材料为摩擦副的零部件已广泛应用于水液压柱塞泵、滑动轴承等，显示出良好的摩擦磨损性能和抗海水腐蚀性能。那么不同载荷和润滑条件下SiC陶瓷与PEEK复合材料之间的摩擦特性如何呢？

碳化硅（SiC）陶瓷具有低密度，高硬度和弹性模量，化学惰性以及高温稳定性，广泛应用于机械工业、汽车和化工领域。高分子聚醚醚酮（PEEK）复合材料是一种线性芳香族半结晶性热塑性聚合物材料，具有优异的物理、化学、力学和热性能，作为高性能复合材料的基体在工程中得到广泛应用。为改善PEEK的摩擦学性能，常添加硬质填料、固体润滑剂及增强纤维，或进行表面特殊处理，以降低摩擦，增加耐磨性。纤维增强的PEEK复合材料具有优异的耐摩擦、抗蠕变性、抗湿热老化性和耐冲击性能，广泛用于高端的机械、核工程和航空等领域。

1、试验

1.1试验装置及试样

试验采用CFT-1型材料表面性能综合测试仪，以球-盘滑动接触形式对各摩擦副材料间的摩擦磨损性能进行考察，试验装置如图1所示。摩擦副的上试样为SiC陶瓷球，直径为ø3.969 mm，接触面粗糙度Ra值为0.02 μm；下试样由牌号为PEEK450-FC30的PEEK的复合材料加工而成，尺寸为10 mm×10 mm×5 mm，其试样表面通过金相砂纸1 000#，1200#，1 500#逐一抛光，试样摩擦表面粗糙度Ra控制在0.1～0.2 μm范围内。

图1 综合测试仪工作原理图

为确保材料表面的清洁，所有的试样均在丙酮溶液中超声波清洗15 min，空气中静置自然干燥。试验中选用蒸馏水为润滑介质。SiC陶瓷和PEEK复合材料的主要性能参数见表1和表2。

表1 SiC陶瓷的主要性能

表2 PEEK复合材料的主要性能

1.2试验过程

试验前，在PEEK复合材料上加工一个截面积为10 mm×4 mm的储存润滑水的沟槽，然后将上、下试样放在图1所示的位置。水润滑试验时，在置于沟槽中的摩擦副之间加入蒸馏水，以保证试验加载后，摩擦副接触部位完全浸于蒸馏水中。

试验过程中分别采用5，10，15，20 N的固定载荷加载，摩擦周期60 min，滑动距离1 800 m，采集记录摩擦因数-时间曲线，并通过轮廓仪测量并计算PEEK复合材料的磨损量。

2、结果与分析

2.1载荷对摩擦因数的影响

干摩擦状态时，不同载荷下SiC/PEEK摩擦副摩擦因数随时间的变化曲线如图2所示。摩擦因数随时间的增加逐渐趋于稳定直至试验结束，载荷10，15和20 N时最终的摩擦因数均为0.25~0.30，而载荷为5 N时，最终的摩擦因数保持在0.20左右。

相对于金属等熔点高的材料，PEEK复合材料具有较低的熔点、玻璃化转变温度和热导率，使其对热效应更加敏感。PEEK复合材料在温度升高时依次存在玻璃态，黏弹态，黏流态3种力学状态。在滑动干摩擦条件下，载荷的改变等同于摩擦温度的改变，干摩擦开始时，摩擦副表面的温度快速上升，PEEK复合材料摩擦表面处于黏弹态向黏流态转变阶段，黏着和变形严重，因而摩擦因数上升较快，当材料表面处于黏流态时，摩擦因数主要受表层的黏滞性流动所控制，与载荷大小无关；且摩擦热效应也会加速PEEK复合材料转移到SiC陶瓷表面，转移膜的存在也影响了摩擦副之间的摩擦磨损性能。PAULO.D, CARDOSO.R研究了PEEK复合材料与钢之间的干摩擦，也显示了相似的摩擦特性。

蒸馏水作为润滑介质时，不同载荷下SiC/PEEK摩擦副的摩擦因数随时间的变化曲线如图3所示。由图可知：水润滑条件下，摩擦因数受载荷影响很小，摩擦过程平稳，摩擦因数一直维持在0.06~0.07之间。

分析认为：1）当蒸馏水作为润滑介质时，复合材料中的极性酮基官能团易吸附水并导致材料表层剪切强度降低，因此摩擦副的摩擦因数较小；2）PEEK复合材料吸附水后，更易形成边界润滑层，起到减少摩擦的作用；3）蒸馏水可作为冷却剂，使复合材料摩擦表面的温升减小，抑制摩擦表面黏流态的形成。因此，水润滑条件下载荷对摩擦因数影响不大。

2.2 载荷对PEEK复合材料表面磨损形貌的影响

随着载荷的增加，PEEK复合材料上的划痕宽度不断增加，且犁沟现象逐渐加重（如载荷为15 N和20 N时的干摩擦情况），出现明显的塑性流动和黏着剥落现象，表现为黏着磨损与磨粒磨损的混合磨损形式。

当蒸馏水存在时，划痕的宽度明显变窄，磨损表面比较光滑，几乎无黏着和犁耕所形成的痕迹。轻载时，由于蒸馏水渗入PEEK复合材料表面的孔隙内，PEEK复合材料磨损表面只残留微弱的磨损痕迹，在较高载荷下磨损表面暴露的纤维被磨平及挤压断裂，表面基本没有磨屑的存留，磨损形式主要为轻微的磨粒磨损。

2.3 载荷对PEEK复合材料磨损量的影响

由于蒸馏水的存在，摩擦副对PEEK复合材料表面的磨损明显减弱。

3、结论

    1）在SiC与PEEK的摩擦磨损试验中，干摩擦条件下，摩擦因数随时间的增加并逐渐趋于稳定直至试验结束，载荷越大，达到稳定摩擦状态所需要的时间越短。PEEK试样表面出现明显的塑性流动和黏着剥落现象，表现为黏着磨损与磨粒磨损的混合磨损形式，PEEK中的碳纤维对SiC球存在一定程度的磨损。

   2）水润滑条件下，摩擦副的PEEK表面只残留微弱的磨损痕迹，基本没有磨屑存留，磨损方式主要是轻微的磨粒磨损。由于蒸馏水的存在，改善了SiC/PEEK的摩擦副边界润滑条件，同时也起到了冷却作用，因此载荷对摩擦因数的影响不大。

节选自2020年5期《轴承》“碳化硅陶瓷与聚醚醚酮复合材料的摩擦磨损特性研究”

（来源：《轴承》杂志社）