【摘 要】
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本文采用真空热压烧结法制备了三种烧结温度的聚醚醚酮（PEEK）材料和不同含量碳纤维（CF）的CF/PEEK复合材料,并通过力学测试、热学测试、摩擦学测试和摩擦抗静电测试筛选出最佳的烧结温度和最优的碳纤维添加含量。在此基础上制备性能优异的纯PEEK和CF/PEEK复合材料,对比研究纯PEEK和CF/PEEK复合材料的摩擦磨损性能和抗摩擦静电性能,探讨了材料本征性能、摩擦条件、外界环境因素对摩擦磨损性
【基金项目】
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国家自然科学基金项目（U1404504, U1804252）； 河南省自然科学基金项目（202300410141）；
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本文采用真空热压烧结法制备了三种烧结温度的聚醚醚酮（PEEK）材料和不同含量碳纤维（CF）的CF/PEEK复合材料,并通过力学测试、热学测试、摩擦学测试和摩擦抗静电测试筛选出最佳的烧结温度和最优的碳纤维添加含量。在此基础上制备性能优异的纯PEEK和CF/PEEK复合材料,对比研究纯PEEK和CF/PEEK复合材料的摩擦磨损性能和抗摩擦静电性能,探讨了材料本征性能、摩擦条件、外界环境因素对摩擦磨损性能和抗静电性能的影响,分析了磨损机制和抗静电机制,为PEEK基复合材料在摩擦和抗静电领域的应用提供了一定的理论意义。通过对结构和性能的表征、分析,本论文主要研究结果如下:1.PEEK材料的制备及工艺的确定随着烧结温度的升高,PEEK及CF/PEEK的密度、硬度、拉伸强度略微提高,PEEK的摩擦磨损性能得到了显著的改善,当温度为350℃时,摩擦系数在整个摩擦过程都比较稳定,磨损率最低。综合各个性能,确定PEEK的热压烧结温度为350℃,热压烧结压力为13 MPa,保温保压时间为10 min。通过对PEEK材料的XRD图谱和红外光谱分析,加工成型工艺没有改变PEEK材料的结晶峰位置,也没有破坏PEEK结构中的官能团。2.CF含量对PEEK摩擦磨损和摩擦静电的影响随着CF含量的增加,CF/PEEK-GCr15摩擦副达到稳定阶段的平均摩擦系数先逐渐减小后趋于平稳;CF/PEEK复合材料表面的磨损率先减小后急剧增加,磨损机制主要以粘着磨损为主,并伴随着轻微的磨粒磨损。CF/PEEK复合材料表面摩擦静电电压随着CF含量的增加,先急剧降低后趋于平稳,当CF的添加含量为20%时,CF/PEEK复合材料表面摩擦静电电压基本完全消失,抗静电性能得到明显改善。3.摩擦条件对CF/PEEK复合材料摩擦磨损性能和抗静电性能影响随着载荷的增加,PEEK-GCr15摩擦副和CF/PEEK-GCr15摩擦副达到稳定阶段的平均摩擦系数先降低后增加;PEEK和CF/PEEK复合材料表面磨损率逐渐增大,施加载荷为100 N和125 N时,纯PEEK材料表面磨损失效,磨损机制以粘着磨损为主向疲劳磨损为主转变;PEEK和CF/PEEK复合材料表面摩擦静电随着载荷的增大逐渐增加。随着滑动速度的增加,PEEK-GCr15摩擦副的平均摩擦系数先增加后逐渐降低,CF/PEEK-GCr15摩擦副的平均摩擦系数先略微降低后逐渐增加;PEEK和CF/PEEK复合材料表面磨损率先降低后增加;在低速条件下,磨损机理以磨粒磨损为主,高速条件下,磨粒磨损和粘着磨损共同存在。PEEK和CF/PEEK复合材料表面摩擦静电随着滑动速度增加逐渐增加。4.外界环境对CF/PEEK复合材料摩擦磨损性能和抗静电性能影响随着环境湿度的增加,对PEEK-GCr15摩擦副和CF/PEEK-GCr15摩擦副的摩擦系数影响并不是很大;PEEK表面磨损率先降低后增加,CF/PEEK复合材料磨损率变化不大,磨损机制主要以粘着磨损为主。PEEK和CF/PEEK复合材料表面摩擦静电随着环境湿度的增加逐渐减小。随着环境温度的增加,PEEK-GCr15摩擦副和CF/PEEK-GCr15摩擦副达到稳定阶段的平均摩擦系数逐渐降低,当环境温度为150℃和200℃时,CF/PEEK-GCr15摩擦副摩擦系数为0.03左右;纯PEEK磨损率先降低后增加,而CF/PEEK复合材料磨损率先增加后降低。在相对较低环境温度条件下,PEEK及CF/PEEK复合材料的磨损机理为磨粒磨损和粘着磨损;在200℃高温条件下,PEEK表现为粘着磨损和疲劳磨损,然而CF/PEEK为轻微的粘着磨损。
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