聚醚醚酮(PEEK)是一种力学性能优异、热稳定性高、耐腐蚀性高、耐磨性好的材料，被广泛应用于高端装备、航空航天、汽车制造等领域[1-4]。但是，纯PEEK由于导热性差、摩擦系数较高，在干摩擦情况下也出现较高的磨损率，这在一定程度上限制了PEEK在不同行业的应用[5-6]。为了使PEEK适应更多的应用场景，Molazemhosseini等[7]和姚光督等[8]研究表明：向PEEK颗粒中加入起润滑作用的填料，以提高PEEK的耐磨性。在PEEK中添加聚四氟乙烯(PTFE)虽然可以提高耐磨性，但是也在一定程度上牺牲PEEK的强度和高温摩擦性能，限制其在重载及其他恶劣环境下的应用。刘莹[9]通过平纹编织的方式在PTFE/PEEK复合板中加入10%~15%的碳纤维(CF)。结果表明：加入CF的样品比不加入CF的样品具有更好的摩擦性能。谷国华等[10]采用浸润涂层的方式，通过模压工艺制备聚醚醚酮/碳纤维/环氧树脂(PEEK/CF/EP)复合板。结果表明：该复合板具有较高的断裂韧性和冲击强度。黄素玲等[11]通过烧结工艺制备多壁碳纳米管(MWCNT)加强PEEK复合材料。结果表明：MWCNT可以降低复合材料的摩擦系数和磨损率。除了加入起润滑作用的填料，国内学者也研究在PEEK中单独加入提高PEEK强度的粒子。李恩重等[12]在室温高速条件下，对质量分数为30%的短切玻璃纤维增强聚醚醚酮(PEEK/GF)复合材料进行干滑动磨损实验，考察载荷及频率对材料摩擦系数及磨损量的影响。结果表明：随着载荷和频率的增加，PEEK/GF的摩擦系数和磨损量逐渐增大并趋于稳定。赵婷[13]研究表明：PEEK复合材料的力学性能随着GF含量的增加而提高。单独在PEEK中加入起润滑作用的粒子，会降低PEEK的整体强度；单独加入提高PEEK整体强度的粒子，会降低PEEK的摩擦系数。这些方案有一定的局限性，研究PEEK中同时加入起润滑作用粒子和提高PEEK强度的粒子，特别是对提高PEEK力学及摩擦性能具有重要意义。本实验从提高PEEK综合性能的角度，通过注塑工艺，制备不同GF含量的PTFE增强PEEK样条，对样条进行拉伸试验和摩擦性能试验。研究不同GF含量对PEEK/PTFE复合材料力学性能和摩擦综合性能的影响，分析GF含量对PEEK/PTFE复合材料强韧机制的作用机理，为提高PEEK综合性能提供支持。1实验部分1.1主要原料聚四氟乙烯(PTFE)颗粒，JF-4TN，粒径30 μm，浙江巨化有限公司；聚醚醚酮(PEEK)颗粒，085G，粒径20 μm，长春吉大特塑工程有限公司；玻璃纤维(GF)，Z/QCD3，纤维直径7.5 μm，纤维长度3 mm，中天俊达玻璃纤维有限公司。1.2仪器与设备万能拉伸试验机，Exceed E45，美国美特斯公司；注射机，VI-55DRES，中台精密机械（广州）有限公司；多功能摩擦磨损试验机，MFT-5000、白光形貌仪，MFP-D，美国Rtec公司；扫描电子显微镜(SEM)，EVO108，德国蔡司公司。1.3样品制备按GB/T 1040.2—2006规定尺寸制作注塑模具和注塑样条。PTFE和PEEK颗粒按照质量比1∶6混料，再分别加入质量分数为0、15%、30%的GF，投入搅拌机搅拌均匀。混料完成，投入注射机，制作注塑样条，制作尺寸为4 cm×4 cm×2 cm的摩擦实验样块。表1为不同PEEK/PTFE复合材料配方。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.02.003.T001表1不同PEEK/PTFE复合材料配方Tab.1Formula of different PEEK/PTFE composite样品PEEK/PTFEGFPEEK/PTFE1000PEEK/PTFE+15%GF8515PEEK/PTFE+30%GF7030%%1.4性能测试与表征拉伸性能测试：按GB/T 1040.2—2022进行测试。拉伸速度为1 mm/min，试验过程直到样条完全断裂，停止试验数据记录。摩擦性能测试：摩擦试验采取线性往复运动形式，在无润滑干摩擦条件下进行，对磨偶件为Si3N3陶瓷小球，载荷50 N、频率2 Hz、磨头滑移行程5 mm、试验时间30 min。磨损率(W)计算公式为：W=VF×S=ALF×S （1）式（1）中：V为样条上磨痕的体积，mm3；S为磨头滑移行程，mm；F为实验中的负载，N；A为磨痕横截面积，通过形貌仪表征，mm2；L为磨痕总长度，本试验为往复摩擦试验，为磨痕长度的2倍，mm。形貌分析：摩擦试验完成后，使用白光形貌仪对试验样条表面的摩擦痕迹及三维形貌进行观察。采用SEM对磨痕进行观测。2结果与讨论2.1复合材料力学性能图1为不同GF含量下PEEK/PTFE复合材料样条的应力-应变曲线。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.02.003.F001图1不同GF含量下PEEK/PTFE复合材料样条的应力-应变曲线Fig.1Stress-strain curves of PEEK/PTFE composites with different GF content从图1可以看出，GF含量为0时，复合材料样条最大应力在各组分中最小，为151 MPa；GF含量为30%时最大应力在各组分中最大，为183 MPa。GF含量为30%的样条增大斜率最明显，GF含量为0的样条应力随应变变化趋势最不明显。因为GF在PEEK/PTFE基体中作为增强相，起骨架作用，能够抵抗受到的外力作用，GF含量越高，复合材料样条的抗拉强度越高[14]；同时，GF的加入也使复合材料的脆性增加、韧性降低，因此GF含量越高的复合材料样条应力增大斜率越明显。虽然GF含量越高，复合材料样条的抗拉强度越高，但是当GF含量过高，生产时注射压力升高，生产难度和成本急剧上升，复合材料表面会出现浮纤，材料表面的变形也相应增加，因此，本实验GF含量控制在30%以内。2.2复合材料的摩擦系数图2为不同GF含量下PEEK/PTFE复合材料的摩擦系数曲线。从图2可以看出，GF含量越高，复合材料表面摩擦系数越低。当GF含量为30%，复合材料表面的摩擦系数降至0.08左右。因为GF的加入使PEEK和PTFE分子链间空穴得到充分填充[15]，使复合材料的摩擦系数降低。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.02.003.F002图2不同GF含量PEEK/PTFE复合材料的摩擦系数Fig.2Friction coefficient of PEEK/PTFE composites with different GF content2.3复合材料的耐磨性图3为不同GF含量下PEEK/PTFE复合材料的磨痕截面曲线和磨痕三维形貌。图3不同GF含量下PEEK/PTFE复合材料磨痕截面和三维形貌Fig.3Cross section and 3D morphology of wear marks of PEEK/PTFE composites with different GF content10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.02.003.F3a110.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.02.003.F3a210.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.02.003.F3a3从图3可以看出，GF含量为0的复合材料磨痕宽度为0.34 mm，磨痕深度为0.002 9 mm，磨痕宽度大、深度明显。GF含量为15%的复合材料磨痕宽度为0.23 mm，磨痕深度为0.001 8 mm，磨痕宽度小、深度不明显。GF含量为30%的复合材料磨痕宽度为0.16 mm，磨痕深度为0.002 mm，磨痕宽度较小、深度不明显。图4为不同GF含量下PEEK/PTFE复合材料的磨损率。从图4可以看出，复合材料的磨损率随GF含量的升高而降低。PEEK/PTFE+30%GF复合材料的磨损率为1.78×10-6 mm3/(N‧m)。因为GF阻止PEEK/PTFE内部带状结构大面积破坏，有利于磨损表面转移膜的生成。另外，GF含量越高，复合材料的硬度越高，耐磨损性能越高。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.02.003.F004图4不同GF含量下PEEK/PTFE复合材料的磨损率Fig.4Wear rate of PEEK/PTFE composites with different GF content2.4复合材料的SEM分析为了研究GF含量对PEEK/PTFE复合材料磨损机理的影响，使用SEM研究不同GF含量下PEEK/PTFE复合材料的表面磨损形貌，图5为SEM照片。从图5可以看出，PEEK/PTFE复合材料表面磨痕宽度较大，有明显深度，并伴随附着物；材料表面出现一定程度的磨损，表面有严重凹坑，伴随一定程度犁沟。表明该磨损的主要机制为黏着磨损。PEEK/PTFE+15%GF复合材料表面磨痕宽度较小，无明显深度，但是在磨损表面上有碎屑；材料表面有少量凹坑，产生局部转移膜，表明该主要磨损机制是磨料磨损。PEEK/PTFE+30%GF复合材料表面磨痕宽度较小，无明显深度，表面磨痕轻微；材料表面无磨损，产生转移膜。大量GF的加入，GF在磨损表面上形成均匀且连贯的转移膜，使复合材料达到较低摩擦系数和磨损率，无明显磨损。当GF含量为0时，复合材料磨损的初始阶段，PTFE一方面在发生摩擦的界面形成转移膜，从而避免相互摩擦的零件之间直接接触；另一方面，PTFE可以降低零件表面的摩擦系数[16]，有利于提高复合材料耐磨性。但是随着磨损时间和载荷的增加，形成的转移膜被逐渐破坏并产生一定的黏着，复合材料表面开始发生磨损，因此出现黏着磨损[17]。当加入15%的GF，复合材料中PEEK和PTFE之间的分子链间空穴得到充分填充，复合材料的摩擦系数进一步降低，摩擦过程中，PEEK/PTFE复合材料中PTFE形成转移膜的作用被进一步加强，复合材料的耐磨性得到提高。但是，随着磨损时间和载荷的增加，一定量的GF发生断裂，且PEEK磨损在表面形成一定的颗粒物，使转移膜被逐渐破坏，复合材料表面发生磨粒磨损[18]。当加入30%的GF，PEEK和PTFE之间的分子链间空穴得到进一步填充，提高致密性。而且，GF在PEEK/PTFE复合材料基体中作为增强相，起骨架作用，与PEEK抵抗外界受力作用的协同效应得到加强，承受高载荷的能力提高，因此耐磨性更好。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.02.003.F005图5不同GF含量下PEEK/PTFE复合材料磨痕SEM照片Fig.5SEM images of wear mark of PEEK/PTFE composites with different GF content3结论（1）不同GF含量下PEEK/PTFE复合材料的应力-应变变化趋势不同。当GF含量越高，最大应力越高，应力增大的斜率越明显，GF在基体中能够抵抗受到的外力作用越强，对PEEK/PTFE复合材料的增强作用越明显。（2）不同GF含量下PEEK/PTFE复合材料表面的摩擦系数不同。GF含量越高，对PEEK和PTFE分子链间空穴的填充越充分，表面的摩擦系数越低。（3）在无润滑干摩擦条件下，不同GF含量下PEEK/PTFE复合材料的耐磨性不同。GF含量越高，对PTFE/PEEK内部带状结构的保护能力越强，复合材料的耐磨损性能越好。（4）GF的加入在PEEK/PTFE复合材料中起到增强相的作用，各组分间形成协同效应，有利于材料摩擦学和力学性能的提高，承受高载荷的能力增强，复合材料中GF添加量的研究可以对工程实际应用提供理论支持。