PEEK、Celazole PBI U60和PPP的滑动磨损性能
以 PEEK 为参考，比较了几种高性能聚合物在不同 pv 水平下的磨损性能，包括 (1) 聚醚醚酮 (PEEK)、(2) 聚苯并咪唑 (PBI) 和 (3) 两种等级的聚对苯撑 (PPP)。研究发现，与 PEEK 相比，PPP 在室温下具有非常高的机械稳定性，但耐磨性相对较差。另一方面，PBI 的磨损率最低，这可以归因于其高耐热性和机械性能保持性，即使在高温下也是如此。
一、简介
聚合物在机械工程中是一类非常重要的材料，因为它们在无润滑条件下具有潜在的优异的摩擦学性能。然而，在某些应用中，除了摩擦学性能之外，其他性能（例如强度和模量以及高温稳定性）也同样重要。为了满足机械工程的不同需求，已经开发了不同的高性能聚合物。
本文介绍了几种高性能聚合物的滑动磨损性能研究。考虑到PEEK因其良好的摩擦学性能和高强度而作为摩擦材料得到广泛应用，以PEEK为参考，比较了聚苯并咪唑（PBI）和两种牌号的聚对苯撑（PPP）的磨损性能。主要目的是，首先，检查这些高性能聚合物在不同 pv 因子下的磨损性能，其次，阐明这些聚合物的机械性能和摩擦学性能之间的关系。
二、实验
2.1. 材料
所有测试的材料都是板材形式。PEEK 块是使用 Arburg 注塑机以 4 毫米厚的狗骨样品形式在内部制备的。PBI 和 PPP 板来自制造商，为压缩烧结 (PBI)、挤压 (PPP120) 或注塑 (PPP250) 板。表 1 列出了测试材料的详细信息。
表 1. 研究的材料清单，包括制造商和重要特性（E = 弹性模量；σB = 强度；αnI = 缺口 Izod 冲击能量；εB = 断裂应变；ρ= 密度）。
2.2. 滑动磨损试验
滑动磨损试验在环境温度下以销盘配置进行。对应物是 100Cr6 滚珠轴承钢（EN 10027-1 中规定）制成的圆盘，粗糙度为 Ra = 0.1–0.2 m，硬度为 HRC 60。磨损试验设备的更多详细信息可以在之前的出版物中找到。由于在固定滑动速度/法向压力下，不同材料对法向压力/滑动速度的变化的反应可能不同，因此首先将滑动速度固定在 1 m/s，然后增加法向压力。当 pv 因子超过 4 MPa m/s 时，滑动速度增加到 2 m/s。
即使负载相对较高，也有一些应用中可能会出现这种情况，例如在纺织品干燥机或柴油燃油喷射泵中（其中经常使用聚合物复合滑靴或聚合物基混合衬套）。我们认为结果具有普遍适用性，特别是关于所测试的四种聚合物的性能差异。但人们还认为，如果这些材料在这些更恶劣的条件下表现出相对良好的磨损性能，它们肯定也能承受载荷和/或速度低得多的条件。
从材料板上加工出几何形状约为 4 毫米 × 4 毫米 × 12 毫米的样品，在滑动磨损试验中，其表观接触面积约为 16 平方毫米。在滑动实验之前，依次用 P800 和 P1200 砂纸对样品进行抛光。在本研究中，所有测试均在 20 小时内进行。在测试过程中注意到不同的磨合时间。然而，在 20 小时的测试期间，大约在 1-3 小时后达到稳态磨损过程。磨损过程后测量了样品的质量损失（△m）。使用以下公式计算特定磨损率 (ws) 和时间相关深度磨损率 (wt)：
其中 ρ 是试样的密度，FN 是施加的法向载荷，L 是总滑动距离，s 是试样的截面积，t 是总滑动时间。在磨损过程中，使用与静止对应物接触的热电偶来估计对应物温度（因此称为表观对应物温度）。至少进行了三次重复测试以计算平均磨损率。通过计算至少三次重复磨损结果的标准偏差来获得误差线的值。使用扫描电子显微镜观察销钉的磨损表面。
三、结果与讨论
以PEEK为参考，图1显示了高性能聚合物的比磨损率（ws）与pv因子的关系。可以看出不同聚合物的耐磨性存在明显差异。耐磨性最好的PBI和耐磨性最差的PPP250之间的差异高达两个数量级。另一点值得注意的是，即使在4.6 MPa m/s的较高pv水平下，PBI仍表现出良好的耐磨性，而PPP250的耐磨性在0.4 MPa m/s的较低pv水平下已经相对较差。为了更好地进行比较，图2显示了与时间相关的深度磨损率（wt）。
对于PPP250，wt随pv水平的增加而急剧增加，而PPP120、PEEK和PBI的wt-pv因子曲线中存在转变点（虚线）。对于 PPP120，转变点出现在约 1.5 MPa m/s，而对于 PEEK，转变点增加到 3 MPa m/s，对于 PBI，转变点增加到 4 MPa m/s。转变后，wt 或多或少地急剧增加，表明材料的磨损系数受压力-速度乘积的影响过大。如果 pv 的增加在此范围内变得太陡，则聚合物在可靠的摩擦学性能意义上无法承受更高的 pv 系数。
图 1. 不同高性能聚合物的比磨损率 (ws ) 与 pv 系数的关系。
图 2. 不同高性能聚合物在不同 pv 水平下的时间相关深度磨损率 (wt)。
图 3 描绘了测量的计数器盘的温度与增加的 pv 水平之间的关系。值得注意的是，当 pv 水平为 4.6 MPa m/s 时，PBI 的对应温度会高达 110 ℃ 或更高，从而导致对应钢盘氧化。事实上，接触区域的实际温度峰值应该远高于这个水平。此外，一般认为摩擦生热引起的温度升高也是材料摩擦磨损行为变化的原因。在本研究中，随着光伏因子的增加，对应温度增加的共同趋势被记录下来。考虑到 PBI 具有最高的耐热性和机械性能保持性（连续 310 ℃；短时间最高可达 500 ℃），可以合理地得出结论，PBI 热机械性能受影响较小是其优异耐磨性的原因。
对于半结晶 PEEK（热变形温度为 152 ℃，连续工作温度约为 250 ℃），可以得出相同的结论，尽管不那么有力，即材料失效首先发生在界面区域。通过分析磨损表面，发现大片变形层（由于基质材料软化）覆盖在 PEEK 的磨损表面上（图 4a），而 PBI 的磨损表面最光滑，仅可见轻微的磨损划痕和一些点蚀痕迹（图 4b）。另一方面，PPP 的磨损表面上有宽凹槽（平行于滑动方向），这可能是材料局部微裂纹和/或过热的结果。后者似乎是可能的，因为这种非晶态热塑性塑料的熔化温度在 160 ℃ 范围内。
图 3. 反向钢盘的表观温度与 pv 因子的关系。
图 4. 在本研究中最高 pv 因子（水平滑动方向）下进行磨损试验后，(a) PEEK、(b) PBI、(c) PPP120 和 (d) PPP250 的 SEM 磨损表面形貌。
就实际应用而言，在特定条件下需要聚合物具有高机械性能和良好的摩擦学性能。然而，令人惊讶的是，在室温下所有非增强聚合物中具有最高强度和模量的PPP120却表现出相对较差的耐磨性。另一方面，这表明，如果摩擦和磨损是关键问题，使用具有良好温度稳定性的聚合物是多么重要。为了改进 PPP 以达到这些目的，加入填料和其他措施似乎是必要的。
四、结论
随着 pv 因子的增加，记录到对应温度增加的共同趋势，但该趋势似乎明显低于实际接触温度。后者对聚合物的摩擦和磨损性能产生了很大的影响。换句话说，在摩擦和磨损成为关键问题的条件下，应高度关注聚合物的温度稳定性。