PEEK 基耐磨导电复合材料

扶肖肖，宋桂珍，郭晓君，吴翔，杨慧君

(太原理工大学机械与运载工程学院，太原 030024)

在耐磨导电需求领域大多使用电镀、涂层表面改性铜基材料、铜-碳复合材料、陶瓷增强铜基复合材料、铜合金金属材料等作为耐磨导电材料[1]。随着航空航天、轨道交通走向高速化发展，特别是高速铁路等的出现，对耐磨导电材料的摩擦磨损性、导电性、轻量化、寿命和经济性提出了更高的要求。因此研究一种新型高分子基耐磨导电复合材料具有重要的意义。

目前制作的受电弓滑板的材料主要有碳纤维(CF)复合材料滑板，碳金属纤维复合材料滑板，碳-铜复合材料滑板以及钛硅系陶瓷材料滑板[2-3]。优质的滑板材料应集中其优异的导电性、耐磨性、耐候性和足够的耐冲击性等性能为一体。高铁受电弓滑板一直采用国外的浸金属碳滑板，但存在耐冲击性能差、出现掉块现象、需经常更换等问题[4-6]。树脂基复合材料其性能可控性好，成型工艺简单，经改性研究做理想滑板材料具有很大的潜力。Zhou Feng等[7]运用熔渗反应烧结技术制备了一种兼具陶瓷与金属性质的Ti3SiC2／TiC 新型受电弓滑板材料，该材料电阻率、自润滑减摩性及生产工艺等优于碳系滑板材料。Yuan Hua 等[8]采用改性酚醛树脂，以CF，铜和石墨分别为增强相，导电相和润滑相通过热压工艺制备复合材料，随着CF 含量的增加其冲击强度、密度和电阻率降低，体积磨耗和摩擦系数先减小后急剧增加。李金羽等[9]通过冷压-烧结制备了电解铜粉填充改性聚四氟乙烯(PTFE)基导电均质复合材料，随着铜粉含量的增加，复合材料内部形成连续的导电织网，表现出良好的导电性。PEEK相比PTFE 密度轻、耐冲击强度高、耐候性好、耐磨性好、综合力学性能优异，可用较简单的模压成型工艺成型[10-11]。

笔者采用性能优异的PEEK 高分子材料和导电性能优异的电解铜粉及具有优异摩擦性能的CF制备一种新型材料，其兼具耐磨性、导电性、质轻等性能。对其复合材料的组分、制备工艺以及摩擦性能、导电性能、外观形貌等进行研究，以期研制一种PEEK 基新型导电耐磨材料，为PEEK 在耐磨导电、耐磨屏蔽领域应用提供依据。

1 实验部分

1.1 主要原料

PEEK 粉末：粒径50 μm，密度1.30 g／cm3，英国威格斯公司；

电解铜粉：纯度99.999%，粒径48 μm，密度8.92 g／cm3，中国金属冶金研究总院；

短切CF：长度1～3 mm，直径7 μm，日本东邦公司；

钛酸酯偶联剂201：分析纯，东莞市鼎海塑胶化工有限公司。

1.2 主要仪器和设备

电热鼓风干燥箱：JC01 型，江苏南通嘉程仪器有限公司；

差示扫描量热(DSC)仪：HSC-2／3／4 型，北京恒久实验设备有限公司；

行星式球磨机：QM-3SP2 型，南京南大仪器有限公司；

手动式液压制样机：SDJ-20T 型，湘潭市仪器仪表有限公司；

快速升温电阻炉：SX3-12-16 型，湘潭市仪器仪表有限公司；

直流低电阻测试仪：TH2512B 型，常州同慧股份电子有限公司；

多功能摩擦磨损测试仪：CFT-l 型，兰州中科凯华科技开发有限公司；

冷光源视频孔探仪：SD-150 型，徐州科伯光电技术有限公司。

1.3 试样制备

考虑到PEEK 和电解铜粉的原料状态和性能，确定采用类似粉末冶金的成型工艺制备该复合材料。

实验前对PEEK 粉末进行预处理，首先对PEEK 粉末进行过筛，使团聚的PEEK 分散开，再放入干燥箱中进行干燥，设定温度为110℃，时间设定为4 h，然后进行密封包装以实验备用。电解铜粉，粒径48 μm，纯度高，规格好，外观呈均匀浅玫瑰红色，微观形貌为树枝状，复杂的几何结构和相对较大的表面粗糙度使其具有更大的比表面积，特殊的树枝状结构使铜粉颗粒间彼此接触数目明显增加，填充该铜粉可以最大限度地提高材料导电性[12]。CF与PEEK 有较好的亲和性，但CF 易团聚，实验前对CF 进行预处理，以便其在复合材料中均匀分布[13-15]。实验前用钛酸酯偶联剂对电解铜粉进行表面处理以改善其与PEEK 的界面亲和力，然后干燥，密封保存以备用。

将处理过的密封保存的PEEK，电解铜粉、CF进行称重，并按一定质量分数进行配比，配方见表1。

表1 试样配方

将按表1 的配方配制的原料，加入球磨罐中然后夹持在行星式球磨机上，设定混合时间为12 h，保证各组分材料充分混合均匀。将混合好的配料放入压片机模具中然后放置在手动式液压制样机进行压件，压件时设置压力为30 MPa，然后保压2 h，制成Ø40 mm×15 mm 的样件。将样件放入到自制烧结模具中，将其放入快速升温电阻炉中进行烧结，通过试验和DSC 分析确定烧结温度曲线如图1 所示(烧结温度设定为310℃)。对烧结完样件进行切割、抛光成不同的规格，备用。

时间/h图1 烧结温度曲线

1.4 测试与表征

对样件进行抛光，然后用无水乙醇对样件表面进行清洁，去除表面杂质。将样件通过夹具夹持在多功能摩擦磨损测试仪对复合材料样件进行摩擦磨损实验，设置摩擦磨损条件为室温下干摩擦磨损，采用旋转摩擦磨损方式，对偶件直径为5 mm 钢球，材料为GCr15，旋转速度500 r／min，磨损半径4 mm，加载载荷30 N，摩擦时间60 min。对其测试摩擦系数、磨损量。

将样件切割成20 mm×10 mm×10 mm 的试样，对样件表面做抛光处理，其次用无水乙醇对其进行表面清理，去除表面杂质。在室温下用电阻测试仪对复合材料进行电学性能测试，每个样件的电阻进行多次测量，求平均值，然后利用公式(1)求出其体积电阻率。

式中：ρ——体积电阻率，Ω·m；

R——电阻，Ω；

S——测量时样件的横截面积，m2；

L——样件的长度，m。

把抛光表面清理过的样件放入到视频孔探仪中，得到复合材料外观形貌特征及表面的电解铜粉的颗粒在复合材料中分布图形。

2 结果与讨论

2.1 摩擦磨损性能

图2，图3 是PEEK／Cu，PEEK／Cu／CF 复合材料在钢球对磨实验过程中的摩擦系数。由图2和图3 可以看出在摩擦的前15 min，对磨钢球与复合材料表面由点面接触到面面接触的过程中摩擦系数逐渐增大；随着摩擦时间的增加，由复合材料的摩擦系数变化波动可以看出，对于PEEK／Cu 及PEEK／Cu／CF 复合材料，适量的电解铜粉可以改善复合材料的导热性能，减小磨损过程中摩擦热对摩擦系数的影响。

图2 PEEK／Cu 复合材料对磨过程中的摩擦系数

图3 PEEK／Cu／CF 复合材料对磨过程中的摩擦系数

图4 、图5 是不同电解铜粉含量的PEEK／Cu，PEEK／Cu／CF 复合材料的摩擦系数及磨损量。由图4 可知，PEEK／Cu 复合材料随着电解铜粉含量的增加，其磨损量与摩擦系数的变化趋势一致；当电解铜粉质量分数为50%时，PEEK／Cu 复合材料的摩擦系数最低，发生的磨损损失的体积最小，表现出良好的摩擦磨损性能。PEEK／Cu／CF 复合材料中随着电解铜粉含量的增加其摩擦系数先减小再上升最后减小至稳定，磨损量先增大再减小，当电解铜粉含量为50%时，PEEK／Cu／CF 复合材料磨损量最大。当电解铜粉的含量达到一定值时，复合材料中CF 的填充降低了PEEK／Cu 复合材料的摩擦系数，同时也降低了PEEK／Cu 的磨损量，使复合材料表现出很好的摩擦磨损性。当电解铜粉的含量较低时，填充CF 增加了PEEK／Cu／CF 复合材料的摩擦系数但减小了复合材料的磨损量。

图4 不同电解铜粉含量的PEEK／Cu 的摩擦磨损性能

图5 不同电解铜粉含量的PEEK／Cu／CF 摩擦磨损性能

2.2 导电性能

图6 ，图7 分别是不同电解铜粉含量的PEEK／Cu，PEEK／Cu／CF 复合材料的体积电阻率。由图6 可以看出，对于PEEK／Cu 复合材料，随着复合材料中电解铜粉比例的增加，其体积电阻率逐渐减小；当电解铜粉的含量在50%～55%范围内，其复合材料的体积电阻率变化急剧减小了3 个数量级；当电解铜粉的含量达到60%时，复合材料的体积电阻率最小为6.05×10-5Ω·m。由图7 可以看出，对于PEEK／Cu／CF 复合材料，随着导电填料的增加，复合材料的体积电阻率逐渐减小；当电解铜粉的含量达到40%～50%范围内，复合材料的体积电阻率迅速减小，当电解铜粉含量大于55%后，随着电解铜粉含量的增加，PEEK／Cu／CF 复合材料的电阻率变化趋热较小。通过对比PEEK／Cu，PEEK／Cu／CF 复合材料的体积电阻率随电解铜粉含量变化可以看出，当电解铜粉的含量小于50%时，CF的加入降低了该复合材料的体积电阻率，明显增强了PEEK／Cu 复合材料的导电性。这是由于CF 具有良好的导电性，大的长径比，CF 的填充，使复合材料内部形成了密集的导电网络。当电解铜粉含量大于50%时，电解铜粉含量的增加，PEEK／Cu／CF复合材料的体积电阻率比PEEK／Cu 复合材料的电阻率大，CF 的填充反而降低了其复合材料的导电性。

图6 不同电解铜粉含量的PEEK／Cu 的体积电阻率

图7 不同电解铜粉含量的PEEK／Cu／CF 的体积电阻率

2.3 复合材料的微观结构表征

图8 为PEEK 基复合材料的表面形貌图。由形貌结构深浅差异可知，随着导电材料含量的增加，PEEK／Cu，PEEK／Cu／CF 中导电填充物彼此接触，贯通相连，颗粒之间紧密相接，复合材料中形成连续的导电网络桥梁从而表现出良好的导电性；CF在PEEK／Cu／CF 复合材料内发生团聚，CF 易团聚且具有较大的长径比与比表面积使材料内部结构出现空隙，导电网络不紧密，从而导致当电解铜粉的含量达到50%时，PEEK／Cu／CF 复合材料的体积电阻率比PEEK／Cu 复合材料的体积电阻率大。根据渗流理论，当填充颗粒达到一定值时复合材料中的填充粒子彼此接触形成稳定的导电网络，复合材料的体积电阻率将发生急剧变化，表现出良好的电学性能[16]。图中显示了随着电解铜粉含量增加，复合材料内部电解铜粉粒子彼此接触，足够形成稳定紧密的导电织网，使绝缘的高分子材料改性成为导体，符合渗流理论导电机理。

3 结论

(1)烧结温度310℃可以制备稳定的PEEK／Cu和PEEK／Cu／CF 耐磨导电复合材料，随着电解铜粉含量的增加，复合材料的摩擦系数与磨损量的变化趋势基本一致，当电解铜粉含量大于50%，短切CF 的填充可以提高其复合材料在干摩擦条件下的摩擦磨损性能。

图8 PEEK 基复合材料的微观形貌

(2)在PEEK 基复合材料中随着电解铜粉的增加，PEEK／Cu，PEEK／Cu／CF 表现良好的导电性，符合渗流理论学说。当电解铜粉含量小于50%时，CF 的填充增加PEEK／Cu 的导电性，当铜粉含量大于50%时，填充CF 导致复合材料内部出现空隙，增加了其体积电阻率，减小了复合材料的导电性能。

(3) 采用冷压- 烧结- 冷却成型工艺制备PEEK／Cu，PEEK／Cu／CF 复合材料，通过对复合材料的摩擦学、电学性能的测试，当电解铜粉含量为55%时，PEEK／Cu／CF 复合材料既有良好的摩擦磨损性能又有良好的导电性能。

(4)该PEEK 基复合材料可以用作耐磨导电、屏蔽材料。