PEEK、Celazole PBI U60和PPP的滑動磨損性能
以 PEEK 為參考，比較了幾種高性能聚合物在不同 pv 水平下的磨損性能，包括 (1) 聚醚醚酮 (PEEK)、(2) 聚苯并咪唑 (PBI) 和 (3) 兩種等級的聚對苯撐 (PPP)。研究發現，與 PEEK 相比，PPP 在室溫下具有非常高的機械穩定性，但耐磨性相對較差。另一方面，PBI 的磨損率最低，這可以歸因于其高耐熱性和機械性能保持性，即使在高溫下也是如此。
一、簡介
聚合物在機械工程中是一類非常重要的材料，因為它們在無潤滑條件下具有潛在的優異的摩擦學性能。然而，在某些應用中，除了摩擦學性能之外，其他性能（例如強度和模量以及高溫穩定性）也同樣重要。為了滿足機械工程的不同需求，已經開發了不同的高性能聚合物。
本文介紹了幾種高性能聚合物的滑動磨損性能研究。考慮到PEEK因其良好的摩擦學性能和高強度而作為摩擦材料得到廣泛應用，以PEEK為參考，比較了聚苯并咪唑（PBI）和兩種牌號的聚對苯撐（PPP）的磨損性能。主要目的是，首先，檢查這些高性能聚合物在不同 pv 因子下的磨損性能，其次，闡明這些聚合物的機械性能和摩擦學性能之間的關系。
二、實驗
2.1. 材料
所有測試的材料都是板材形式。PEEK 塊是使用 Arburg 注塑機以 4 毫米厚的狗骨樣品形式在內部制備的。PBI 和 PPP 板來自制造商，為壓縮燒結 (PBI)、擠壓 (PPP120) 或注塑 (PPP250) 板。表 1 列出了測試材料的詳細信息。
表 1. 研究的材料清單，包括制造商和重要特性（E = 彈性模量；σB = 強度；αnI = 缺口 Izod 沖擊能量；εB = 斷裂應變；ρ= 密度）。
2.2. 滑動磨損試驗
滑動磨損試驗在環境溫度下以銷盤配置進行。對應物是 100Cr6 滾珠軸承鋼（EN 10027-1 中規定）制成的圓盤，粗糙度為 Ra = 0.1–0.2 m，硬度為 HRC 60。磨損試驗設備的更多詳細信息可以在之前的出版物中找到。由于在固定滑動速度/法向壓力下，不同材料對法向壓力/滑動速度的變化的反應可能不同，因此首先將滑動速度固定在 1 m/s，然后增加法向壓力。當 pv 因子超過 4 MPa m/s 時，滑動速度增加到 2 m/s。
即使負載相對較高，也有一些應用中可能會出現這種情況，例如在紡織品干燥機或柴油燃油噴射泵中（其中經常使用聚合物復合滑靴或聚合物基混合襯套）。我們認為結果具有普遍適用性，特別是關于所測試的四種聚合物的性能差異。但人們還認為，如果這些材料在這些更惡劣的條件下表現出相對良好的磨損性能，它們肯定也能承受載荷和/或速度低得多的條件。
從材料板上加工出幾何形狀約為 4 毫米 × 4 毫米 × 12 毫米的樣品，在滑動磨損試驗中，其表觀接觸面積約為 16 平方毫米。在滑動實驗之前，依次用 P800 和 P1200 砂紙對樣品進行拋光。在本研究中，所有測試均在 20 小時內進行。在測試過程中注意到不同的磨合時間。然而，在 20 小時的測試期間，大約在 1-3 小時后達到穩態磨損過程。磨損過程后測量了樣品的質量損失（△m）。使用以下公式計算特定磨損率 (ws) 和時間相關深度磨損率 (wt)：
其中 ρ 是試樣的密度，FN 是施加的法向載荷，L 是總滑動距離，s 是試樣的截面積，t 是總滑動時間。在磨損過程中，使用與靜止對應物接觸的熱電偶來估計對應物溫度（因此稱為表觀對應物溫度）。至少進行了三次重復測試以計算平均磨損率。通過計算至少三次重復磨損結果的標準偏差來獲得誤差線的值。使用掃描電子顯微鏡觀察銷釘的磨損表面。
三、結果與討論
以PEEK為參考，圖1顯示了高性能聚合物的比磨損率（ws）與pv因子的關系。可以看出不同聚合物的耐磨性存在明顯差異。耐磨性最好的PBI和耐磨性最差的PPP250之間的差異高達兩個數量級。另一點值得注意的是，即使在4.6 MPa m/s的較高pv水平下，PBI仍表現出良好的耐磨性，而PPP250的耐磨性在0.4 MPa m/s的較低pv水平下已經相對較差。為了更好地進行比較，圖2顯示了與時間相關的深度磨損率（wt）。
對于PPP250，wt隨pv水平的增加而急劇增加，而PPP120、PEEK和PBI的wt-pv因子曲線中存在轉變點（虛線）。對于 PPP120，轉變點出現在約 1.5 MPa m/s，而對于 PEEK，轉變點增加到 3 MPa m/s，對于 PBI，轉變點增加到 4 MPa m/s。轉變后，wt 或多或少地急劇增加，表明材料的磨損系數受壓力-速度乘積的影響過大。如果 pv 的增加在此范圍內變得太陡，則聚合物在可靠的摩擦學性能意義上無法承受更高的 pv 系數。
圖 1. 不同高性能聚合物的比磨損率 (ws ) 與 pv 系數的關系。
圖 2. 不同高性能聚合物在不同 pv 水平下的時間相關深度磨損率 (wt)。
圖 3 描繪了測量的計數器盤的溫度與增加的 pv 水平之間的關系。值得注意的是，當 pv 水平為 4.6 MPa m/s 時，PBI 的對應溫度會高達 110 ℃ 或更高，從而導致對應鋼盤氧化。事實上，接觸區域的實際溫度峰值應該遠高于這個水平。此外，一般認為摩擦生熱引起的溫度升高也是材料摩擦磨損行為變化的原因。在本研究中，隨著光伏因子的增加，對應溫度增加的共同趨勢被記錄下來。考慮到 PBI 具有最高的耐熱性和機械性能保持性（連續 310 ℃；短時間最高可達 500 ℃），可以合理地得出結論，PBI 熱機械性能受影響較小是其優異耐磨性的原因。
對于半結晶 PEEK（熱變形溫度為 152 ℃，連續工作溫度約為 250 ℃），可以得出相同的結論，盡管不那么有力，即材料失效首先發生在界面區域。通過分析磨損表面，發現大片變形層（由于基質材料軟化）覆蓋在 PEEK 的磨損表面上（圖 4a），而 PBI 的磨損表面最光滑，僅可見輕微的磨損劃痕和一些點蝕痕跡（圖 4b）。另一方面，PPP 的磨損表面上有寬凹槽（平行于滑動方向），這可能是材料局部微裂紋和/或過熱的結果。后者似乎是可能的，因為這種非晶態熱塑性塑料的熔化溫度在 160 ℃ 范圍內。
圖 3. 反向鋼盤的表觀溫度與 pv 因子的關系。
圖 4. 在本研究中最高 pv 因子（水平滑動方向）下進行磨損試驗后，(a) PEEK、(b) PBI、(c) PPP120 和 (d) PPP250 的 SEM 磨損表面形貌。
就實際應用而言，在特定條件下需要聚合物具有高機械性能和良好的摩擦學性能。然而，令人驚訝的是，在室溫下所有非增強聚合物中具有最高強度和模量的PPP120卻表現出相對較差的耐磨性。另一方面，這表明，如果摩擦和磨損是關鍵問題，使用具有良好溫度穩定性的聚合物是多么重要。為了改進 PPP 以達到這些目的，加入填料和其他措施似乎是必要的。
四、結論
隨著 pv 因子的增加，記錄到對應溫度增加的共同趨勢，但該趨勢似乎明顯低于實際接觸溫度。后者對聚合物的摩擦和磨損性能產生了很大的影響。換句話說，在摩擦和磨損成為關鍵問題的條件下，應高度關注聚合物的溫度穩定性。