聚醚醚酮(PEEK)主链中芳环含量较高，其化学稳定性较高[1]。PEEK的分子结构特殊和结晶性良好，使PEEK具有优良的耐热性、高强度、高耐磨性等，广泛应用于航空航天、汽车、医疗等行业[2-3]。但是PEEK材料的摩擦系数较高、导热性较差，在发生摩擦运动时产生的热量不能迅速传导和散失，导致材料的失效变形[4]。PEEK材料的制备工艺包括挤出、注射、模压等成型方式，在高温注射成型过程中，由于PEEK的收缩率大，熔体黏度高，流动性较差，不易得到理想的结构和综合性能[5]。为了扩大PEEK的应用范围，需要对PEEK的工艺进行改善[6]。目前对PEEK的研究主要集中在PEEK材料的改性方面，关注性能优化，对生产工艺优化的研究相对较少[7]。材料的性能对PEEK产品的性能具有重要影响，但产品的生产工艺也与产品的性能相关。宋恩敏等[8]通过在PEEK材料中加入20%碳纤维(CF)，在注射成型过程中，分别经过回火和不回火制备样品，并通过摩擦磨损实验对比不同样品的性能。结果表明：回火工艺条件下磨损量比不回火时减少了35.4%。孙洪霖等[9]结果表明：经过自制浸料HC2110预处理的样品，其耐热性及成型工艺性优于未经预处理的样品。刘亚男等[10]在不同成型压力、成型温度条件下，采用模压成型工艺制备CF/PEEK复合材料层样品。结果表明：成型压力对样品强度具有一定影响，随着成型压力的降低，样品强度也降低。本实验从注射工艺角度出发，在不同注射温度条件下，制备PEEK/CF复合材料，对样条进行拉伸试验，表面摩擦学相关性能试验，研究不同注射温度条件对样品力学性能、摩擦学性能的影响。找到进行注射工艺时，对产品性能影响最小的注射温度，为PEEK注射成型工艺的制定提供支持。1实验部分1.1主要原料碳纤维(CF)，粒径为20 μm，厦门科元塑胶有限公司；聚醚醚酮(PEEK)颗粒，021CF30，长春吉大特塑工程研究有限公司。1.2仪器与设备注射机，Ⅵ-55DRES，中台精密机械（广州）有限公司；电子万能试验机，MTS Exceed E45，美特斯工业系统（中国）有限公司；多功能摩擦磨损试验机，MFT-5000，美国Rtec公司；白光干涉形貌仪，MFP-D，美国Rtec公司。1.3样品制备为保证CF和PEEK结合特性，对CF表面进行PEI涂覆处理[11]。按GB/T 1040.2—2006规定的尺寸制作注射模具。将表面处理的CF颗粒和PEEK颗粒按照质量分数1∶2加入搅拌机，直到搅拌均匀。将混合的样品烘干，加入注射机。调整模温机参数，使注射温度分别保持在150、175、200 ℃，采用注射机制备不同的PEEK/CF复合材料样条。1.4性能测试与表征力学性能测试：按GB/T 1040.2—2006进行测试，测试温度为150、175、200 ℃，拉伸速度为1 mm/min。摩擦磨损测试：取拉伸试验后样条的完好部分，在干摩擦条件下进行测试，采用线性往复模块，磨偶件小球采用直径为9 mm的Si3N3陶瓷球[8]。载荷50 N、频率2 Hz、试验时间30 min下，所得磨痕长度为5 mm。磨损率(W)的计算公式为：W=VF×S=ALF×S （1）式（1）中：V为磨痕体积，mm3；S为滑动距离，滑动距离均保持5 mm；F为施加的载荷，均为50 N；A为磨损面横截面积，为磨痕深度与宽度的乘积，mm2；L为磨痕总周长，mm，本次试验为往复运动，L应为磨痕长度的2倍。2结果与讨论2.1复合材料拉断力分析图1为不同注射温度下PEEK复合材料的拉断力。从图1可以看出，随着变形量的增加，不同样品的拉断力均增加。不同注射温度的样品，最高拉断力不同。注射温度150 ℃时，样品最高拉断力为7 276 N；注射温度175 ℃时，样品最高拉断力为7 409 N；注射温度200 ℃时，样品最高拉断力为7 224 N。随着注射温度的增加，最高拉断力先增大后减小。注射温度175 ℃时，样品最高拉断力最大，而且在175 ℃时变形量最大。因为在注射过程中随着注射温度的升高，PEEK熔融体的流动性增强，结晶区域从无到有，可以形成均质纤维体，在拉伸过程中，结晶区域基体起到物理交联的作用[12]，内聚力大，韧性好。在150~175 ℃之间，随着温度的升高，拉断力也不断提高，韧性好。温度过高，超过PEEK玻璃化温度后，在降温过程中导致纤维体局部发生交联和玻璃化[13-14]，因而力学性能降低，在175~200 ℃之间，随着温度的升高，拉断力也不断降低。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.07.010.F001图1不同注射温度下PEEK复合材料的拉断力Fig.1Tensile breaking force of PEEK composites at different injection temperatures2.2复合材料的摩擦系数分析图2为不同注射温度下PEEK复合材料摩擦系数对比。从图2可以看出，注射温度在150 ℃时，样品表面的摩擦系数为0.30左右；注射温度175 ℃时，样品表面的摩擦系数为0.15；注射温度200 ℃时，样品表面的摩擦系数为0.35。随着注射温度的升高，样品表面的摩擦系数呈现先降低后升高的现象。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.07.010.F002图2不同注射温度下PEEK复合材料摩擦系数对比Fig.2Comparison of friction coefficients of PEEK composites at different injection temperatures2.3复合材料的耐磨性分析材料的耐磨性是材料抵抗磨损的能力，与材料发生的摩擦机制有关，材料磨损率越低其耐磨性越高[15]。利用PEEK复合材料样条的磨损率和磨损量表征PEEK复合材料样条的耐磨性。图3为不同注射温度下PEEK复合材料磨痕截面和三维形貌。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.07.010.F003图3不同注射温度下PEEK复合材料磨痕截面和三维形貌Fig.3Cross section and 3D morphology of wear marks of PEEK composites at different injection temperatures从图3可以看出，注射温度150 ℃时，试验后的样品表面磨痕宽度为0.31 mm，磨痕深度为0.002 mm，磨痕宽度较大，痕迹明显；注射温度175 ℃时，试验后的样品表面磨痕宽度为0.2 mm，磨痕深度为0.001 5 mm，磨痕宽度较小，磨痕不明显；注射温度200 ℃时，试验后的样品表面磨痕宽度为0.35 mm，磨痕深度为0.002 5mm，磨痕宽度与深度均较大，磨痕明显。从磨痕截面曲线数据可知，其宽度与深度均随着注射温度的增加呈现先减小后增加的趋势。利用公式（1）计算不同注射温度条件下PEEK复合材料的磨损量与磨损率。注射温度在150 ℃，试验后样品表面的磨损量为0.003 1 mm3，磨损率为3.44×10-6 mm3/(N‧m)；注射温度在175 ℃，试验后样品表面磨损量为0.001 5 mm3，磨损率为1.67×10-6 mm3/(N‧m)；注射温度在200 ℃，试验后样品表面磨损量为0.004 4 mm3，磨损率为4.86×10-6 mm3/(N‧m)。150~175 ℃时，样品表面的磨损量与磨损率均随着温度的升高而降低；175~200 ℃时，样品表面的磨损量与磨损率均随着温度的升高而升高。因为注射温度在150~175 ℃时，随着注射温度的升高，熔融体流动性逐渐增强，黏附性逐渐降低，导致注射样品的结晶度升高[16]，样品强度高，耐磨性更好。注射温度在175~200 ℃时，此时注射温度已经超过PEEK的玻璃化温度，随着注射温度的升高，在升温过程中会导致纤维体局部发生交联和玻璃化[17]，因而力学性能也降低，耐磨性降低，因此磨损量和磨损率随着注射温度的升高而升高。2.4复合材料磨损表面SEM分析图4为不同注射温度下PEEK复合材料表面磨痕SEM照片。从图4a可以看出，表面磨痕宽度较大，有明显深度。从图4b可以看出，在磨痕表面出现较深的犁沟，并伴随一定的裂纹。因为注射温度较低时,制作的样品结晶度低，分子间的结合力低，结晶区物理交联作用弱，导致样品强度低。在摩擦磨损实验中，由于对偶件摩擦作用，样品表面产生频率较高的接触应力，该过程产生大量的摩擦热，由于PEEK热导性较差，表面温度短时急剧升高，虽然表面产生一定的转移膜[18]。另外，由于基体强度不高，发生局部结构畸变或产生剥落与粘黏现象，使样品表面材料软化，从而出现一定程度的磨损。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.07.010.F004图4不同注射温度下PEEK复合材料表面磨痕SEM照片Fig.4SEM images of worn surface of PEEK composites at different injection temperatures从图4c可以看出，表面磨痕宽度较小，无明显深度。从图4d可以看出，在磨痕表面出现轻微的裂纹，表面形貌整体完好。因为注射温度较高时制作的样品结晶度高，结晶区物理交联作用明显，使样品具有较高强度，抵抗载荷的能力变强。在摩擦磨损试验中，虽然存在对偶件摩擦作用，但表面可以形成一层转移膜，起到很好的润滑作用，再加上基体强度高，内聚力大，涂层不易剥落，因此表面没有发生局部结构畸变或产生剥落与粘黏现象，也没有出现严重磨损。从图4e可以看出，相同放大倍数下，200 ℃注射温度的样品表面磨痕宽度比175 ℃的样品宽，具有明显深度从图4f可以看出，磨痕表面出现较深的凹坑。因为注射温度已经超过PEEK的玻璃化温度，随着注射温度的升高，在降温过程中导致纤维体局部发生交联和玻璃化，材料表面结晶度降低，使PEEK复合材料样品内部存在较大的残余应力[19]，表面转移膜结合性也较差，材料表面出现一定数量的缝隙，因而力学性能降低，耐磨性降低。在进行摩擦磨损试验时，由于对偶件摩擦作用，受到产生频率较高的接触应力，使材料表面发生材料的大量迁移[20]，出现磨损。3结论（1）随着注射温度的增加，样品最高拉断力先增大后减小。注射温度为175 ℃的PEEK复合材料样条最高拉断力最高，为7 409 N。（2）不同注射温度PEEK复合材料样条，表面的摩擦系数不同。随着注射温度的升高，样品表面的摩擦系数呈现先降低后升高的趋势，注射温度为175 ℃的PEEK复合材料样条的摩擦系数最低。（3）不同注射温度PEEK复合材料样条，样品表面的耐磨性不同。随着注射温度的升高，样品的耐磨性先升高后降低。注射温度为175 ℃时，PEEK复合材料样条的耐磨性最高，样品表面的磨损率为1.67×10-6 mm3/(N‧m)。（4）制定PEEK产品注射工艺时，调整PEEK产品的注射温度，使注射温度接近但不高于PEEK产品的玻璃化温度，可以提高产品力学性能及摩擦性能。