扶肖肖，宋桂珍，郭曉君，吳翔，楊慧君

(太原理工大學(xué)機(jī)械與運載工程學(xué)院，太原 030024)

在耐磨導(dǎo)電需求領(lǐng)域大多使用電鍍、涂層表面改性銅基材料、銅-碳復(fù)合材料、陶瓷增強(qiáng)銅基復(fù)合材料、銅合金金屬材料等作為耐磨導(dǎo)電材料[1]。隨著航空航天、軌道交通走向高速化發(fā)展，特別是高速鐵路等的出現(xiàn)，對耐磨導(dǎo)電材料的摩擦磨損性、導(dǎo)電性、輕量化、壽命和經(jīng)濟(jì)性提出了更高的要求。因此研究一種新型高分子基耐磨導(dǎo)電復(fù)合材料具有重要的意義。

目前制作的受電弓滑板的材料主要有碳纖維(CF)復(fù)合材料滑板，碳金屬纖維復(fù)合材料滑板，碳-銅復(fù)合材料滑板以及鈦硅系陶瓷材料滑板[2-3]。優(yōu)質(zhì)的滑板材料應(yīng)集中其優(yōu)異的導(dǎo)電性、耐磨性、耐候性和足夠的耐沖擊性等性能為一體。高鐵受電弓滑板一直采用國外的浸金屬碳滑板，但存在耐沖擊性能差、出現(xiàn)掉塊現(xiàn)象、需經(jīng)常更換等問題[4-6]。樹脂基復(fù)合材料其性能可控性好，成型工藝簡單，經(jīng)改性研究做理想滑板材料具有很大的潛力。Zhou Feng等[7]運用熔滲反應(yīng)燒結(jié)技術(shù)制備了一種兼具陶瓷與金屬性質(zhì)的Ti3SiC2／TiC 新型受電弓滑板材料，該材料電阻率、自潤滑減摩性及生產(chǎn)工藝等優(yōu)于碳系滑板材料。Yuan Hua 等[8]采用改性酚醛樹脂，以CF，銅和石墨分別為增強(qiáng)相，導(dǎo)電相和潤滑相通過熱壓工藝制備復(fù)合材料，隨著CF 含量的增加其沖擊強(qiáng)度、密度和電阻率降低，體積磨耗和摩擦系數(shù)先減小后急劇增加。李金羽等[9]通過冷壓-燒結(jié)制備了電解銅粉填充改性聚四氟乙烯(PTFE)基導(dǎo)電均質(zhì)復(fù)合材料，隨著銅粉含量的增加，復(fù)合材料內(nèi)部形成連續(xù)的導(dǎo)電織網(wǎng)，表現(xiàn)出良好的導(dǎo)電性。PEEK相比PTFE 密度輕、耐沖擊強(qiáng)度高、耐候性好、耐磨性好、綜合力學(xué)性能優(yōu)異，可用較簡單的模壓成型工藝成型[10-11]。

筆者采用性能優(yōu)異的PEEK 高分子材料和導(dǎo)電性能優(yōu)異的電解銅粉及具有優(yōu)異摩擦性能的CF制備一種新型材料，其兼具耐磨性、導(dǎo)電性、質(zhì)輕等性能。對其復(fù)合材料的組分、制備工藝以及摩擦性能、導(dǎo)電性能、外觀形貌等進(jìn)行研究，以期研制一種PEEK 基新型導(dǎo)電耐磨材料，為PEEK 在耐磨導(dǎo)電、耐磨屏蔽領(lǐng)域應(yīng)用提供依據(jù)。

1 實驗部分

1.1 主要原料

PEEK 粉末：粒徑50 μm，密度1.30 g／cm3，英國威格斯公司；

電解銅粉：純度99.999%，粒徑48 μm，密度8.92 g／cm3，中國金屬冶金研究總院；

短切CF：長度1～3 mm，直徑7 μm，日本東邦公司；

鈦酸酯偶聯(lián)劑201：分析純，東莞市鼎海塑膠化工有限公司。

1.2 主要儀器和設(shè)備

電熱鼓風(fēng)干燥箱：JC01 型，江蘇南通嘉程儀器有限公司；

差示掃描量熱(DSC)儀：HSC-2／3／4 型，北京恒久實驗設(shè)備有限公司；

行星式球磨機(jī)：QM-3SP2 型，南京南大儀器有限公司；

手動式液壓制樣機(jī)：SDJ-20T 型，湘潭市儀器儀表有限公司；

快速升溫電阻爐：SX3-12-16 型，湘潭市儀器儀表有限公司；

直流低電阻測試儀：TH2512B 型，常州同慧股份電子有限公司；

多功能摩擦磨損測試儀：CFT-l 型，蘭州中科凱華科技開發(fā)有限公司；

冷光源視頻孔探儀：SD-150 型，徐州科伯光電技術(shù)有限公司。

1.3 試樣制備

考慮到PEEK 和電解銅粉的原料狀態(tài)和性能，確定采用類似粉末冶金的成型工藝制備該復(fù)合材料。

實驗前對PEEK 粉末進(jìn)行預(yù)處理，首先對PEEK 粉末進(jìn)行過篩，使團(tuán)聚的PEEK 分散開，再放入干燥箱中進(jìn)行干燥，設(shè)定溫度為110℃，時間設(shè)定為4 h，然后進(jìn)行密封包裝以實驗備用。電解銅粉，粒徑48 μm，純度高，規(guī)格好，外觀呈均勻淺玫瑰紅色，微觀形貌為樹枝狀，復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)和相對較大的表面粗糙度使其具有更大的比表面積，特殊的樹枝狀結(jié)構(gòu)使銅粉顆粒間彼此接觸數(shù)目明顯增加，填充該銅粉可以最大限度地提高材料導(dǎo)電性[12]。CF與PEEK 有較好的親和性，但CF 易團(tuán)聚，實驗前對CF 進(jìn)行預(yù)處理，以便其在復(fù)合材料中均勻分布[13-15]。實驗前用鈦酸酯偶聯(lián)劑對電解銅粉進(jìn)行表面處理以改善其與PEEK 的界面親和力，然后干燥，密封保存以備用。

將處理過的密封保存的PEEK，電解銅粉、CF進(jìn)行稱重，并按一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)行配比，配方見表1。

表1 試樣配方

將按表1 的配方配制的原料，加入球磨罐中然后夾持在行星式球磨機(jī)上，設(shè)定混合時間為12 h，保證各組分材料充分混合均勻。將混合好的配料放入壓片機(jī)模具中然后放置在手動式液壓制樣機(jī)進(jìn)行壓件，壓件時設(shè)置壓力為30 MPa，然后保壓2 h，制成?40 mm×15 mm 的樣件。將樣件放入到自制燒結(jié)模具中，將其放入快速升溫電阻爐中進(jìn)行燒結(jié)，通過試驗和DSC 分析確定燒結(jié)溫度曲線如圖1 所示(燒結(jié)溫度設(shè)定為310℃)。對燒結(jié)完樣件進(jìn)行切割、拋光成不同的規(guī)格，備用。

時間/h圖1 燒結(jié)溫度曲線

1.4 測試與表征

對樣件進(jìn)行拋光，然后用無水乙醇對樣件表面進(jìn)行清潔，去除表面雜質(zhì)。將樣件通過夾具夾持在多功能摩擦磨損測試儀對復(fù)合材料樣件進(jìn)行摩擦磨損實驗，設(shè)置摩擦磨損條件為室溫下干摩擦磨損，采用旋轉(zhuǎn)摩擦磨損方式，對偶件直徑為5 mm 鋼球，材料為GCr15，旋轉(zhuǎn)速度500 r／min，磨損半徑4 mm，加載載荷30 N，摩擦?xí)r間60 min。對其測試摩擦系數(shù)、磨損量。

將樣件切割成20 mm×10 mm×10 mm 的試樣，對樣件表面做拋光處理，其次用無水乙醇對其進(jìn)行表面清理，去除表面雜質(zhì)。在室溫下用電阻測試儀對復(fù)合材料進(jìn)行電學(xué)性能測試，每個樣件的電阻進(jìn)行多次測量，求平均值，然后利用公式(1)求出其體積電阻率。

式中：ρ——體積電阻率，Ω·m；

R——電阻，Ω；

S——測量時樣件的橫截面積，m2；

L——樣件的長度，m。

把拋光表面清理過的樣件放入到視頻孔探儀中，得到復(fù)合材料外觀形貌特征及表面的電解銅粉的顆粒在復(fù)合材料中分布圖形。

2 結(jié)果與討論

2.1 摩擦磨損性能

圖2，圖3 是PEEK／Cu，PEEK／Cu／CF 復(fù)合材料在鋼球?qū)δ嶒炦^程中的摩擦系數(shù)。由圖2和圖3 可以看出在摩擦的前15 min，對磨鋼球與復(fù)合材料表面由點面接觸到面面接觸的過程中摩擦系數(shù)逐漸增大；隨著摩擦?xí)r間的增加，由復(fù)合材料的摩擦系數(shù)變化波動可以看出，對于PEEK／Cu 及PEEK／Cu／CF 復(fù)合材料，適量的電解銅粉可以改善復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能，減小磨損過程中摩擦熱對摩擦系數(shù)的影響。

圖2 PEEK／Cu 復(fù)合材料對磨過程中的摩擦系數(shù)

圖3 PEEK／Cu／CF 復(fù)合材料對磨過程中的摩擦系數(shù)

圖4 、圖5 是不同電解銅粉含量的PEEK／Cu，PEEK／Cu／CF 復(fù)合材料的摩擦系數(shù)及磨損量。由圖4 可知，PEEK／Cu 復(fù)合材料隨著電解銅粉含量的增加，其磨損量與摩擦系數(shù)的變化趨勢一致；當(dāng)電解銅粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%時，PEEK／Cu 復(fù)合材料的摩擦系數(shù)最低，發(fā)生的磨損損失的體積最小，表現(xiàn)出良好的摩擦磨損性能。PEEK／Cu／CF 復(fù)合材料中隨著電解銅粉含量的增加其摩擦系數(shù)先減小再上升最后減小至穩(wěn)定，磨損量先增大再減小，當(dāng)電解銅粉含量為50%時，PEEK／Cu／CF 復(fù)合材料磨損量最大。當(dāng)電解銅粉的含量達(dá)到一定值時，復(fù)合材料中CF 的填充降低了PEEK／Cu 復(fù)合材料的摩擦系數(shù)，同時也降低了PEEK／Cu 的磨損量，使復(fù)合材料表現(xiàn)出很好的摩擦磨損性。當(dāng)電解銅粉的含量較低時，填充CF 增加了PEEK／Cu／CF 復(fù)合材料的摩擦系數(shù)但減小了復(fù)合材料的磨損量。

圖4 不同電解銅粉含量的PEEK／Cu 的摩擦磨損性能

圖5 不同電解銅粉含量的PEEK／Cu／CF 摩擦磨損性能

2.2 導(dǎo)電性能

圖6 ，圖7 分別是不同電解銅粉含量的PEEK／Cu，PEEK／Cu／CF 復(fù)合材料的體積電阻率。由圖6 可以看出，對于PEEK／Cu 復(fù)合材料，隨著復(fù)合材料中電解銅粉比例的增加，其體積電阻率逐漸減??；當(dāng)電解銅粉的含量在50%～55%范圍內(nèi)，其復(fù)合材料的體積電阻率變化急劇減小了3 個數(shù)量級；當(dāng)電解銅粉的含量達(dá)到60%時，復(fù)合材料的體積電阻率最小為6.05×10-5Ω·m。由圖7 可以看出，對于PEEK／Cu／CF 復(fù)合材料，隨著導(dǎo)電填料的增加，復(fù)合材料的體積電阻率逐漸減?。划?dāng)電解銅粉的含量達(dá)到40%～50%范圍內(nèi)，復(fù)合材料的體積電阻率迅速減小，當(dāng)電解銅粉含量大于55%后，隨著電解銅粉含量的增加，PEEK／Cu／CF 復(fù)合材料的電阻率變化趨熱較小。通過對比PEEK／Cu，PEEK／Cu／CF 復(fù)合材料的體積電阻率隨電解銅粉含量變化可以看出，當(dāng)電解銅粉的含量小于50%時，CF的加入降低了該復(fù)合材料的體積電阻率，明顯增強(qiáng)了PEEK／Cu 復(fù)合材料的導(dǎo)電性。這是由于CF 具有良好的導(dǎo)電性，大的長徑比，CF 的填充，使復(fù)合材料內(nèi)部形成了密集的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)電解銅粉含量大于50%時，電解銅粉含量的增加，PEEK／Cu／CF復(fù)合材料的體積電阻率比PEEK／Cu 復(fù)合材料的電阻率大，CF 的填充反而降低了其復(fù)合材料的導(dǎo)電性。

圖6 不同電解銅粉含量的PEEK／Cu 的體積電阻率

圖7 不同電解銅粉含量的PEEK／Cu／CF 的體積電阻率

2.3 復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)表征

圖8 為PEEK 基復(fù)合材料的表面形貌圖。由形貌結(jié)構(gòu)深淺差異可知，隨著導(dǎo)電材料含量的增加，PEEK／Cu，PEEK／Cu／CF 中導(dǎo)電填充物彼此接觸，貫通相連，顆粒之間緊密相接，復(fù)合材料中形成連續(xù)的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)橋梁從而表現(xiàn)出良好的導(dǎo)電性；CF在PEEK／Cu／CF 復(fù)合材料內(nèi)發(fā)生團(tuán)聚，CF 易團(tuán)聚且具有較大的長徑比與比表面積使材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)出現(xiàn)空隙，導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)不緊密，從而導(dǎo)致當(dāng)電解銅粉的含量達(dá)到50%時，PEEK／Cu／CF 復(fù)合材料的體積電阻率比PEEK／Cu 復(fù)合材料的體積電阻率大。根據(jù)滲流理論，當(dāng)填充顆粒達(dá)到一定值時復(fù)合材料中的填充粒子彼此接觸形成穩(wěn)定的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，復(fù)合材料的體積電阻率將發(fā)生急劇變化，表現(xiàn)出良好的電學(xué)性能[16]。圖中顯示了隨著電解銅粉含量增加，復(fù)合材料內(nèi)部電解銅粉粒子彼此接觸，足夠形成穩(wěn)定緊密的導(dǎo)電織網(wǎng)，使絕緣的高分子材料改性成為導(dǎo)體，符合滲流理論導(dǎo)電機(jī)理。

3 結(jié)論

(1)燒結(jié)溫度310℃可以制備穩(wěn)定的PEEK／Cu和PEEK／Cu／CF 耐磨導(dǎo)電復(fù)合材料，隨著電解銅粉含量的增加，復(fù)合材料的摩擦系數(shù)與磨損量的變化趨勢基本一致，當(dāng)電解銅粉含量大于50%，短切CF 的填充可以提高其復(fù)合材料在干摩擦條件下的摩擦磨損性能。

圖8 PEEK 基復(fù)合材料的微觀形貌

(2)在PEEK 基復(fù)合材料中隨著電解銅粉的增加，PEEK／Cu，PEEK／Cu／CF 表現(xiàn)良好的導(dǎo)電性，符合滲流理論學(xué)說。當(dāng)電解銅粉含量小于50%時，CF 的填充增加PEEK／Cu 的導(dǎo)電性，當(dāng)銅粉含量大于50%時，填充CF 導(dǎo)致復(fù)合材料內(nèi)部出現(xiàn)空隙，增加了其體積電阻率，減小了復(fù)合材料的導(dǎo)電性能。

(3) 采用冷壓- 燒結(jié)- 冷卻成型工藝制備PEEK／Cu，PEEK／Cu／CF 復(fù)合材料，通過對復(fù)合材料的摩擦學(xué)、電學(xué)性能的測試，當(dāng)電解銅粉含量為55%時，PEEK／Cu／CF 復(fù)合材料既有良好的摩擦磨損性能又有良好的導(dǎo)電性能。

(4)該PEEK 基復(fù)合材料可以用作耐磨導(dǎo)電、屏蔽材料。