聚醚醚酮(PEEK)纤维是一种热塑性纤维，其主链包含亚苯基醚醚酮链节，并具有高度结晶性。PEEK纤维也是一种芳香族纤维，含有醚键和酮键，具有较好的物理性能、耐化学性和热学性能[1-3]。PEEK复合材料易加工，成型后无须特殊处理，具有抗冲击、抗蠕变、耐疲劳、耐热、耐湿热性和易修补性等优点[4]，在航空航天、汽车和医疗等领域得到广泛应用[5]。为了使PEEK适应更广泛的应用场景，研究人员向PEEK颗粒中添加填料提高其耐磨性[6-7]。常见的改性方法包括表面改性、纤维增强改性、颗粒填充改性和聚合物共混改性[8]。纤维增强改性方法是利用碳纤维(CF)、玻璃纤维(GF)以及其他晶须等填料对PEEK进行改性，以制备具有高耐磨性能的PEEK复合材料[9-11]。颗粒填充改性利用无机填料增加PEEK材料的承载能力和转移膜强度，减少摩擦磨损[12-14]。利用PEEK与CF的复合制备复合材料，可以充分发挥两者的优点，提升复合材料的热力学性能和摩擦学性能，在恶劣使用环境下仍能保持出色的性能[15-16]。Molazemhosseini等[17]研究表明，向PEEK颗粒中加入短CF等起润滑作用的填料，显著降低了PEEK表面的摩擦系数，提高了耐磨性。Sha等[18]发现，向复合材料中加入单向CF可以增强复合材料的界面强度。Lin等[19]研究表明，PEEK与固体润滑剂（聚四氟乙烯）共混时，两种聚合物组分之间发生协同效应，从而改善了混合系统的摩擦学性能。在PEEK中添加CF，纤维作为填充材料，能够有效承载一部分负荷，并且与PEEK的协同作用可以显著提升复合材料的整体性能。这种纤维增强改性的方法虽然可以一定限度上提高复合产品的耐磨性，但是在重载或高温等恶劣状态下，单纯在PEEK中添加CF不能有效提高复合材料的摩擦性能，通常还需要辅以颗粒填充改性的方法。Qian等[20]研究发现，纳米Al2O3的质量分数达到4%时，制备的PEEK复合材料的摩擦性能最佳。Vishal等[21]等采用竹碳纳米管(B-CNT)与亚微米高导热合成金刚石(SD)颗粒混合物制备了高功能摩擦PEEK复合材料，复合材料的摩擦系数降低至30%，磨损率也大幅降低。在PEEK/PTFE复合材料中加入增强纤维及起增强作用的粒子，对于提高PEEK力学及摩擦性能具有重要意义。本实验从提高PEEK综合性能的角度出发，通过注射工艺，制备CF和纳米氮化硼颗粒(h-BN)增强的PEEK/PTFE复合材料样条，对样条进行机械拉伸实验，在摩擦试验机上进行摩擦学相关性能测试，研究了不同增强纤维及增强粒子含量对PEEK/PTFE复合材料样条力学性能和摩擦学性能的影响，为提高PEEK综合性能提供支持。1实验部分1.1主要原料纳米氮化硼颗粒(h-BN)，B42306，外径为50 nm，中诺新材（北京）科技有限公司，聚醚醚酮(PEEK)颗粒，085G，粒径为20 μm，长春吉大特塑工程有限公司，聚四氟乙烯(PTFE)颗粒，JF-4TN，粒径为30 μm，浙江巨化有限公司，碳纤维(CF)，ZL-CF200，纤维直径为7 μm，纤维长度3 mm，沧州中丽新材料有限公司。1.2仪器与设备万能拉伸试验机，Exceed E45，美国美特斯公司；注塑机，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样品制备根据GB/T 1040.2—2022规定的尺寸制作注塑模具。表1为不同PEEK/PTFE复合材料配方。PTFE和PEEK颗粒按照质量比1∶5混料，按表1配方加入CF、h-BN，然后投入搅拌机搅拌均匀。混料完成后，投入注射机中，根据GB/T 1040.2—2022规定的尺寸制作注塑样条，并制作4 cm×4 cm×2 cm规格样块进行摩擦实验。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.11.002.T001表1不同PEEK/PTFE复合材料配方Tab.1The formula of different PEEK/PTFE composites样品PEEK/PTFECFsh-BNPEEK/PTFE10000PEEK/PTFE/30%CFs70300PEEK/PTFE/27%CFs/3%h-BN70273PEEK/PTFE/24%CFs/6%h-BN702461.4性能测试与表征力学性能测试：样条尺寸按GB/T 1040.2—2022中1A型试样要求裁剪，拉伸实验按GB/T 1040.2—2022进行测试，拉伸速率为1 mm/min。摩擦性能表征：采取线性往复运动的形式，在无润滑的干摩擦条件下进行，对磨偶件为Si3N3陶瓷小球。实验设定参数为：载荷50 N，频率2 Hz，磨头滑移行程5 mm，实验时间30 min。样条摩擦摩擦实验完成后，磨损率(W)计算公式为：W=A×LF×S (1)式（1）中：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，mm2；L为磨痕总长度，mm，本实验为往复摩擦试验，为磨痕长度的2倍。摩擦痕迹及三维形貌分析：摩擦试验完成后，使用MFP-D白光形貌仪和扫描电子显微镜对试验样条表面的摩擦痕迹及三维形貌进行观察。2结果与讨论2.1复合材料应力分析图1为PEEK/PTFE、PEEK/PTFE/CF和不同h-BN含量下PEEK/PTFE复合材料样条的应力-应变曲线。从图1可以看出，未添加h-BN及CF的PEEK/PTFE样条最大应力为130 MPa。在PEEK/PTFE复合材料中添加30%的CF，复合材料样条最大应力增加至146 MPa。当h-BN含量为3%时，PEEK/PTFE/CF/h-BN样条最大应力为174 MPa。h-BN含量继续增至6%时，PEEK/PTFE/CF/h-BN复合材料样条最大应力降至165 MPa。随着CF和h-BN的加入，CF和h-BN在组分中起到协同作用，h-BN在PEEK/PTFE复合材料基体中作为增强相，起到骨架的作用，能够抵抗外界受到的外力作用。添加h-BN时，复合材料样条的抗拉强度得到提高；同时，h-BN的加入也在一定限度上使复合材料的脆性增加、韧性降低，因此表现出含有h-BN的复合材料样条应力增大的斜率明显，随着应变的增加，应力的变化更加明显。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.11.002.F001图1PEEK/PTFE、PEEK/PTFE/CF和不同h-BN含量下PEEK/PTFE复合材料样条的应力-应变曲线Fig.1The stress-strain curves of PEEK/PTFE, PEEK/PTFE/CF and PEEK/PTFE composites with different h-BN content2.2复合材料的摩擦系数分析图2为PEEK/PTFE、PEEK/PTFE/CF和不同h-BN含量下PEEK/PTFE复合材料样条的摩擦系数曲线。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.11.002.F002图2PEEK/PTFE、PEEK/PTFE/CF和不同h-BN含量下PEEK/PTFE复合材料样条的摩擦系数曲线Fig.2Friction coefficient of PEEK/PTFE, PEEK/PTFE/CF and PEEK/PTFE composites with different h-BN content从图2可以看出，未添加CF及h-BN时，PEEK/PTFE复合材料样条表面的摩擦系数为0.26左右。当CF添加量为30%，PEEK/PTFE/CF复合材料样条表面摩擦系数为0.23左右，表面摩擦系数比未添加CF的样条低。同时添加CF和h-BN，PEEK/PTFE/CF/h-BN摩擦系数降低。h-BN含量为3%时，复合材料样条摩擦系数为0.06左右；h-BN含量为6%时，复合材料样条摩擦系数为0.09左右。随着h-BN含量的升高，复合材料样条表面摩擦系数先降低后升高。因为，当h-BN含量较低时，h-BN的加入使CF和PEEK/PTFE之间的分子链间空穴得到充分填充，而且h-BN可以增强对附近分子链的吸附，限制分子链向摩擦界面运动，从而降低表面摩擦系数[22]。但是，随着h-BN含量的继续升高，部分h-BN不能很好地分散在CF与PEEK/PTFE粒子中，产生团聚现象，导致摩擦系数开始升高。2.3复合材料的耐磨性分析图3为PEEK/PTFE、PEEK/PTFE/CF和不同h-BN含量下PEEK/PTFE复合材料样条的磨痕截面曲线以及磨痕三维形貌。图3PEEK/PTFE、PEEK/PTFE/CF和不同h-BN含量下PEEK/PTFE复合材料样条的表面磨痕截面和三维形貌Fig.3Cross section and 3D morphology of wear marks of PEEK/PTFE, PEEK/PTFE/CF and PEEK/PTFE composites with different h-BN content10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.11.002.F3a110.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.11.002.F3a210.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.11.002.F3a310.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.11.002.F3a4从图3可以看出，未添加CF的复合材料磨痕宽度为7.0×10-4 m，磨痕深度为4×10-6 m，从三维形貌可知，磨痕宽度大、深度明显。添加CF后，PEEK/PTFE/CF复合材料磨痕宽度为8.0×10-4 m，从三维形貌可知，磨痕深度为3.0×10-6 m，磨痕宽度较大、深度明显。添加CF，h-BN含量为3%时，PEEK/PTFE/CF/h-BN复合材料磨痕宽度为5.5×10-4 m，从三维形貌可知，磨痕深度为2.0×10-6 m，磨痕宽度小、深度不明显；添加CF，h-BN含量为6%时，PEEK/PTFE/CF/h-BN复合材料磨痕宽度为6.5×10-4 m，磨痕深度为2.5×10-6 m，从三维形貌可知，磨痕宽度较小、深度不明显。根据磨痕数据进行计算，由式（1）计算得到复合材料样条的磨损量与磨损率，图4为计算结果。从图4可以看出，未添加CF的复合材料磨损量为1.4×10-8 mm3，磨损率为1.56×10-11 mm3/(N·m)。添加CF后复合材料磨损率和磨损量低于未添加CF的样品，添加CF的复合材料磨损量降至1.2×10-8 mm3,磨损率降至1.33×10-11 mm3/(N·m)。同时添加CF和h-BN，复合材料磨损率和磨损量低于未添加h-BN的样品；添加CF，h-BN含量为3%时，复合材料磨损量为5.5×10-9 mm3，磨损率为6.11×10-12 mm3/(N·m)；添加CF，h-BN含量为6%时，复合材料磨损量为8.13×10-9 mm3，磨损率为9.03×10-12 mm3/(N·m)。随着h-BN含量的升高，复合材料的磨损率呈现先降低后升高的趋势。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.11.002.F004图4PEEK/PTFE，PEEK/PTFE/CF和不同h-BN含量下PEEK/PTFE复合材料样条的磨损量与磨损率Fig.4The wear loss and wear rate of PEEK/PTFE, PEEK/PTFE/CF and PEEK/PTFE composites with different h-BN content因为添加CF可以在PEEK/PTFE复合材料表面形成一层转移膜，有利于表面摩擦系数的降低和磨损率的降低；添加h-BN阻止了PEEK/PTFE内部带状结构的大面积破坏，有利于生成磨损表面转移膜，有利于表面耐磨性能的提高和磨损率的降低；此外，h-BN可以增强对附近分子链的吸附作用，抑制分子链向摩擦界面的运动[23-24]，从而减小黏着摩擦，并降低PEEK/PTFE复合材料的磨损率。h-BN含量为3%时，样条的磨损率最低。因为样条中的微孔被h-BN充分填充，增强了PEEK/PTFE复合材料的强度。2.4复合材料表面SEM分析为了研究h-BN和CF对PEEK/PTFE复合材料磨损机理的影响，使用SEM研究了不同h-BN含量PEEK/PTFE复合材料的表面磨损形貌，图5为对应的SEM照片。从图5a1~图5a3可以看出，未添加CF和h-BN的PEEK/PTFE复合材料表面磨痕宽度较大，有明显深度，并产生附着物，表面出现磨损，表面有严重的凹坑，并伴随犁沟。表明该磨损的主要机制为黏着磨损。从图5b1~图5b3可以看出，添加CF的PEEK/PTFE样条，表面磨痕宽度和深度均较小，表面轻微磨损，局部产生转移膜。随着CF的加入，在磨损表面上形成了均匀且连贯的转移膜，导致摩擦系数和磨损率较低，从而无明显磨损[25-26]。而未添加CF的PEEK/PTFE复合材料，PEEK在接触压力下释放到磨损轨迹上，导致摩擦性能较差。图5PEEK/PTFE，PEEK/PTFE/CF和不同h-BN含量下PEEK/PTFE复合材料样条磨痕的SEM照片Fig.5SEM images of wear scars of PEEK/PTFE, PEEK/PTFE/CF and PEEK/PTFE composites with different h-BN content10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.11.002.F5a110.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.11.002.F5a210.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.11.002.F5a310.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.11.002.F5a4从图5c1~图5c3可以看出，h-BN含量为3%时，PEEK/PTFE/CF/h-BN样条表面磨痕宽度较小，无明显深度，表面无磨损痕迹。因为，PEEK/PTFE复合材料中未添加h-BN时，磨损的初始阶段，CF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，有利于提高复合材料耐磨性，在该阶段基本没有发生磨损。但是随着磨损时间载荷的增加，形成的转移膜被逐渐破坏并产生一定黏着，复合材料表面开始发生磨损，因此出现黏着磨损[27]。当h-BN加入PEEK/PTFE复合材料中，随着磨损时间和载荷的增加，复合材料表面相对于没有添加h-BN样品，磨损没有立刻发生。因为h-BN的加入使CF和PEEK/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CF形成转移膜的作用被进一步加强，而且随着磨损时间的增加，h-BN阻止了CF和PEEK/PTFE内部带状结构的大面积破坏，有利于磨损表面生成转移膜，提高表面耐磨性能；另外，h-BN还可以加强对附近分子链的吸附作用，限制分子链向摩擦界面运动，因此加入一定量的h-BN能提高复合材料的耐磨性[28]。h-BN在PEEK/PTFE复合材料基体中作为增强相[29]，起骨架的作用，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。从图5d1~图5d3可以看出，h-BN含量6%的PEEK/PTFE样条，表面磨痕宽度较小，无明显深度，表面无明显的磨损。h-BN含量为3%时，复合材料表面磨损情况最轻微，这是因为复合材料中的微孔被h-BN充分填充，增强了PEEK/PTFE复合材料的强度。随着h-BN含量的继续升高，部分h-BN不能很好地分散在CF与PEEK/PTFE粒子中，部分粒子产生团聚现象，导致表面的磨损开始增加。3结论（1）添加CF的PEEK/PTFE复合材料样条，最大应力比未添加CF的PEEK/PTFE复合材料样条大；随着h-BN含量的增加，PEEK/PTFE复合材料样条最大应力趋势逐渐增加，h-BN含量分别为3%的样条性能最优。（2）添加CF的PEEK/PTFE样条，表面摩擦系数比未添加CF的样条低。添加h-BN的PEEK/PTFE样条，随着h-BN含量的升高，表面的摩擦系数先降低后升高，h-BN含量分别为3%的样条摩擦系数最低。（3）添加CF的PEEK/PTFE复合材料磨损率比未添加CF的小；添加h-BN的复合材料磨损率比未添加h-BN的小；随着h-BN含量的升高，复合材料的磨损率呈现先降低后升高的趋势，h-BN含量分别为3%的样条磨损率最低。（4）CF和h-BN的加入可以在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，对于工程实际应用提供理论支持。