摘要:由于聚合物本身具有較低的摩擦系數，優良的機械性能及耐腐蝕性等優點，其基自潤滑復合材料具有非常優異的摩擦磨損性能，正在被廣泛的應用到減摩領域。本文綜述了聚醚醚酮、聚四氟乙烯及聚酰亞胺等幾種高聚物的摩擦磨損特點及其應用，聚合物基自潤滑復合材料發展現狀。指出目前聚合物基高性能自潤滑材料的制備途徑主要是通過聚合物與聚合物共混及添加纖維、晶須等來提高基體的機械強度，通過添加各類固體自潤滑劑來提高摩擦性能，有效提高其綜合性能。聚合物基自潤滑材料可取代傳統金屬材料，成為全新的一類耐摩擦磨損材料。
論文關鍵詞：高聚物,復合材料,自潤滑材料,摩擦,磨損
1、 聚醚醚酮(PEEK)
1.1 聚醚醚酮(PEEK)的特點
聚醚醚酮(PEEK)是一種高性能熱塑性高聚物,具有良好機械性能、抗化學腐蝕性和抗輻射性，顯著的熱穩定性和耐磨性。它可以在無潤滑、低速高載下或在液體、固體粉塵污染等
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作者簡介：劉良震（1980-），男，助理講師， E-mail：ldcllfz@sina.com
惡劣環境下使用。因而關于聚醚醚酮及其復合材料的研究越來越受到人們重視。聚醚醚酮是一種半晶態熱塑性聚合物，為了改善其機械性能，尤其是摩擦學性能，常在其中添加聚四氟乙烯（PTFE）、聚丙烯腈（PAN）和碳纖維（FC）等材料，也可添加顆粒增強型材料或進行特種表面處理等離子體處理等。當聚醚醚酮及其復合材料與金屬材料相互對磨時，通常在金屬表面形成聚合物轉移膜，其結構、成分均與原有的聚合物及復合材料不同，其性能、厚度及連續程度均對摩擦副的摩擦學性能有重大影響[4]。
1.2 對聚醚醚酮(PEEK)摩擦性能的研究
章明秋等人[5,6]對聚醚醚酮(PEEK)在無潤滑滑動條件下磨損產生的磨屑的形態進行研究，結果表明，聚醚醚酮(PEEK)的磨屑具有分形特征，其分形維數與載荷的關系對應于磨損率與載荷的關系，能夠反映聚醚醚酮(PEEK)磨損機制的變化。在給定的試驗條件下，隨著載荷的增大，聚醚醚酮(PEEK)的磨損機制從粘著磨損為主伴隨著疲勞-剝層磨損，進而轉變為熱塑性流動磨損。
張人佶等[7,8]利用掃描電鏡、掃描微分量熱儀、紅外光譜儀、俄歇電子譜儀等分析手段系統的研究了聚醚醚酮(PEEK)及其復合材料的滑動轉移膜，結果表明：純聚醚醚酮(PEEK)在滑動摩擦過程中形成不連續的轉移膜。聚四氟乙烯(PTFE)的光滑分子結構有助于使轉移膜更光滑，固體潤滑效果也更好。在PEEK/FC30中，不僅加入PTFE，而且加入具有層狀結構的石墨，碳纖維磨損后的石墨也同時進入轉移膜，使得轉移膜的強度和韌性更好，壽命提高。
1.3 聚醚醚酮的應用
聚醚醚酮(PEEK)是一類倍受歡迎的耐磨減摩材料，其承載能力和耐磨性比較強，溫度對其摩擦磨損性能及機械性能影響也不大。這類自潤滑復合材料可用于制作飛機上的耐熱、耐有機溶劑的連接件，汽車軸承支架、活塞密封、發動機的傳動裝置，精密電子設備等零部件。但由于聚醚醚酮(PEEK)本身的價格高且成型加工困難，在普通的工程應用中受到了很大的限制[9]。
2 聚四氟乙烯(PTFE)
2.1聚四氟乙烯(PTFE)低摩擦系數特點
聚四氟乙烯(PTFE)是一種耐熱性聚合物，其分子結構規整、靜摩擦系數很小。當聚四氟乙烯(PTFE)與其它物體對摩時，由于聚四氟乙烯(PTFE)大分子容易被拉出結晶區，因而在摩擦之初就向對摩面轉移，以庫倫力和范德華力在對摩面上形成一層20～30nm厚的薄膜，這層薄膜的大分子按滑動方向高度取向，從而摩擦系數很低[10]。另外，在摩擦過程中還會發生摩擦化學反應，能夠影響轉移膜的生成及其完整性[11]。由于聚四氟乙烯(PTFE)的表面能極低，其轉移膜在對摩面上的附著性較差，導致聚四氟乙烯(PTFE)做摩擦材料時具有嚴重的磨損。同時，由于聚四氟乙烯(PTFE)的彈性模量小而線膨脹系數大，承載能力低，使其作為摩擦件使用受到了限制。為了改善聚四氟乙烯(PTFE)的耐磨性，許多學者進行了卓有成效的研究工作。目前對聚四氟乙烯(PTFE)進行改性的方法主要有兩個方面：一方面通過堿金屬溶液、輝光放電以及等離子體對聚四氟乙烯(PTFE)材料表面進行改性處理；另一方面通過向聚四氟乙烯(PTFE)內填充纖維、無機粉末和有機高分子填料完成改性。這些填料的加入，除了提高了聚四氟乙烯(PTFE)的耐磨性以外，還可以提高其硬度和剛度使制品具有良好的抗蠕變性和尺寸穩定性[12]。
2.2 對聚四氟乙烯(PTFE)摩擦性能的研究
張招柱等人[13]采用3種金屬氧化物對聚四氟乙烯(PTFE)進行改性，實驗發現，添加Pb3O4使聚四氟乙烯(PTFE)的摩擦系數略有增大，而添加Pb3O4或Cu2O都能使聚四氟乙烯(PTFE)的摩擦系數有所減小,其中以Pb3O4的減摩效果較好。這3種材料在負荷低于300N時，摩擦系數始終隨負荷的增大而減小。3種填充聚四氟乙烯(PTFE)復合材料的耐磨性都遠比純PTFE的好，均隨負荷的增大而增大，其中以Pb3O4的減磨效果最好。
文獻[14]還研究了Cu, Pb及Ni 3種不同金屬顆粒對PTFE進行改性的影響，發現Ni增大了復合材料的摩擦系數，而Cu及Pb則降低了復合材料的摩擦系數，但摩擦系數減小的幅度不是很大。金屬填料大大改善了復合材料的耐磨性，使其磨損量比純PTFE材料降低了1-2個數量級，其中：Cu的減磨效果最好，Ni的效果次之，Pb的效果最差。
張招柱等人[15,16]用稀土化合物CeO2、CeF2和La2O3填充PTFE復合材料，發現這些化合物能使PTFE的耐磨性顯著提高。
楊文光等人[17]以碳纖維增強 PTFE制成自潤滑軸承，這種軸承自潤滑性好、耐磨性高而且具有優良的防污染性和防腐蝕性，能把灰塵、金屬等微粒包容于PTFE的界面以下，減少了對摩擦副之間的磨損。
文獻[18]對碳纖維、玻璃纖維及鈦酸鉀K2Ti6O13晶須增強PTFE復合材料在干摩擦條件下與GCr15軸承鋼對磨時的磨損性能進行了研究，發現玻璃纖維的減磨效果最好，K2 Ti6O13晶須的減磨效果最差。
楊生榮等人[19]用金屬纖維FST和FCu對PTFE進行改性，結果如下：2種纖維增強對摩擦系數的影響都不大，往復次數增多，PTFE + 30 %FST復合材料的摩擦系數有所上升，PTFE +30 %FCu復合材料的摩擦系數略有下降。
黃麗等人[20]研究了碳纖維不同混合方式對PTFE復合材料性能可產生重要影響，研究發現，從力學性能上看，氣流混合試樣的沖擊強度比機械混合試樣提高了13%，兩者硬度差別不大，但氣流混合試樣的磨耗量也增加了39%。另外，還考察了碳纖維長度的不同對摩擦系數的影響，隨著碳纖維長度的增大，PTFE復合材料的摩擦系數增加。這主要是由于隨碳纖維長度的增加，在機械混合的過程中，纖維容易形成絮團吸附物，因而在壓制的過程中，就會使得制品表面的坑洼程度大，使制品的粗糙度增加，在與金屬件對磨時，機械嚙合和切削碰撞就比較顯著，導致滑動困難，使摩擦系數增大，同時磨耗量相應增大。
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