均匀设计法在聚醚醚酮复合材料摩擦学特性试验中的应用研究

　　聚醚醚酮(PEEK)是高性能热塑性聚合物,具有高强度、高韧性、耐热性和耐蚀性等特点,此外还具有良好的摩擦学特性,通过填充改性可广泛应用于现代工业的各个领域。近年来,纳米粒子和聚四氟乙烯(PTFE)作为填料用于改善PEEK的摩擦学特性已经得到广泛重视[1-5],但有关碳纤维(CF)和纳米粒子及PTFE共同填充PEEK改善其摩擦学特性的研究报道较少,与此同时研究中所涉及的影响因素更多,各因素的水平相差较大。因此,为了经济、有效、更快地获得具有最佳摩擦学特性的PEEK复合材料,本文作者结合纳米SiO2、PTFE和CF共同填充PEEK复合材料摩擦学特性的试验研究,以PEEK复合材料的摩擦学特性参数为指标来探讨均匀设计法在PEEK复合材料配方中的应用可行性。

　　1　实验部分

　　1.1　试验条件

　　所用PEEK原料为英国威克斯有限公司生产的白色微粉,粒度小于100μm; PTFE为济南化工厂产品,粒度50μm; CF为南京玻璃纤维研究院产品,长度200~300μm;纳米SiO2为江苏河海纳米科技有限股份公司生产,粒径小于40 nm。依据文献[6-7]中的研究成果,为保证上述纳米粒子和PTFE填充PEEK复合材料有较理想的摩擦学特性, PTFE的质量分数为10% (以下同)。复合材料的制备工艺流程为[5]:配料→加入溶剂→分散→烘干→模压成型→打磨→试样。试样的尺寸是直径为4.5 mm、长度为13mm的圆柱销,试环材料为45#钢,硬度为HRC 47,试验前试销和试环均用800#水砂纸打磨抛光,并用丙酮洗净。试验时,圆环静止而复合材料销旋转,销的磨损量用比磨损率表示,定义为每单位载荷乘以滑动距离上的磨损质量,其计算表达式如下:

　　式中: ws为比磨损率,单位为kg/ (N·m);Δm为试样的磨损质量损失,kg; S为滑动距离,m; p为摩擦销所受的法向载荷,N。

　　销磨损试验条件为:p= 200 N,对应的总行程为1 800 m。磨损质量利用精密电子天平(精度为1/10 000 g)称量试件在试验前后质量的变化来确定。

　　1.2　试验设计

　　常用的试验设计方法有:全因素试验法、单因素轮换试验法和正交试验法等。本文作者采用中科院方开泰教授等提出的一种“我国独创,世界领先”的试验设计方法———均匀设计法[8-9]。与正交设计相比,基于数论理论的均匀设计法不再考虑数据的整齐可比性,而只考虑试验点在试验范围内充分均衡分散,这就可以从全面试验中挑选更少的试验点作为代表进行实验,而由此得到的结果仍然可反映体系的主要特征,且所需试验次数等于水平数,因此工作量明显降低。

　　在研究新型PEEK复合材料的摩擦学特性时,其中材料配方的影响非常重要。若固定PTFE的含量,则要求研究PEEK复合材料的摩擦学特性与CF (因素A)和纳米SiO2(因素B)填充量之间的关系,为此需要进行系列配方影响试验。设取该2个因素分别采取6个和3个水平进行考察,考察在设定的一个较宽范围中进行,分别为0.05~0.15和0.05~0.30,因此整个摩擦磨损试验为2因素6水平的试验。表1给出了各因素及其水平值。