辛存良，何世安

（中国电子科技集团公司第十六研究所，安徽 合肥 230043）

耐磨高分子材料/钛合金的粘接性能研究

辛存良，何世安

（中国电子科技集团公司第十六研究所，安徽 合肥 230043）

选用耐磨高分子材料/钛合金为摩擦副，分析了聚四氟乙烯、聚醚醚酮分别与钛合金的摩擦试验情况。根据不同的表面处理方法，探讨了等离子清洗对耐磨高分子材料和钛合金粘接性能的影响。研究了固化工艺对粘接样件粘接性能的影响。结果表明，经等离子清洗后，80℃/8 h固化能够使聚四氟乙烯/钛合金粘接件的拉伸剪切强度达到2.6 MPa，同样的固化工艺使聚醚醚酮/钛合金粘接件的拉伸剪切强度达到了4.0 MPa。

摩擦系数；聚四氟乙烯；聚醚醚酮；钛合金；剪切强度

耐磨高分子材料具有摩擦系数小、磨损量低、质轻、耐腐蚀、易于加工和自润滑性能好等优点，已经引起广泛关注[1]。钛合金因其强度高、耐蚀性好和较高的热稳定性等特点而被广泛应用在军事工业和民用工业的众多领域。而耐磨高分子材料（如聚四氟乙烯）和钛合金因表面活性低而不易粘接。考虑到耐磨高分子材料和钛合金本身的优势，可以很好地应用在航空、航天、机械、交通和船舶等各个领域，并能起到关键性的不可代替的作用，因此，针对2者的协同作用进行了研究。

本文选用的耐磨高分子材料为聚四氟乙烯和聚醚醚酮。聚四氟乙烯因其表面能特别低，为难粘材料[2]；而聚醚醚酮由于具有较低的磨损率，在低磨损材料中是最出众的[3]。为了解决耐磨高分子材料和钛合金不易粘接的问题，对粘接材料进行了表面处理分析，并研究了材料的粘接性能。

1 实验部分

1.1 主要原料

聚四氟乙烯板、聚醚醚酮板：昆山市瑞力生塑胶材料有限公司；钛合金板，无锡市德赢材料有限公司；环氧树脂胶粘剂，三键化工（上海）有限公司；丙酮，市售。

1.2 仪器与设备

摩擦试验机，MGW-02型，济南益华摩擦学测试技术有限公司；材料试验系统，M T S 8 1 0型，M T S S y s t e m s Corporation，USA；真空干燥箱，DZF-1B型，上海贺德实验设备有限公司。

1.3 试样制备

采用双组分环氧树脂胶粘剂，分别采用3种固化工艺条件进行固化：40 ℃/24 h、80℃/8 h和100 ℃/4 h；粘接试样均按一定规格尺寸切割；聚四氟乙烯板和聚醚醚酮板分别进行超声清洗和等离子处理；钛合金板进行喷砂后再分别进行超声清洗和等离子处理。试样制备的流程图见图1。

图1 试样制备的流程图Fig.1 Flow diagram of specimen preparation

1.4 性能测试

摩擦系数：采用摩擦试验机在常温条件下对摩擦样件进行往复摩擦试验，摩擦时长为8 h；

粘接性能：按照GB/T 7124—2008测试拉伸剪切强度。

2 结果与讨论

2.1 摩擦性能

通过聚四氟乙烯、聚醚醚酮与钛合金配对的摩擦副在摩擦试验机上进行摩擦试验，测定了2种耐磨高分子材料在与钛合金配对摩擦副时的摩擦磨损情况，结果见图2和图3。由实验结果可知，聚四氟乙烯在与钛合金配对摩擦副具有很低的摩擦系数，为0.16，而聚醚醚酮的摩擦系数为0.43，高出聚四氟乙烯很多。从磨损量来看，聚四氟乙烯磨损较多，主要由于聚四氟乙烯本身结构中非结晶部分的结构容易滑动，在与金属组成摩擦副时，很容易形成转移膜，而且转移膜在对偶摩擦面的附着力不好，很容易剥落，转移膜在摩擦过程中不断地形成、剥落，因此聚四氟乙烯的磨损量较大[2]。而聚醚醚酮很少出现这种现象。因此，聚四氟乙烯适用于低摩擦系数的工况条件，而聚醚醚酮更适合于低磨损的领域。

图2 聚四氟乙烯/钛合金摩擦副的摩擦试验Fig.2 Friction test of PTFE/titanium alloy friction pair

图3 聚醚醚酮/钛合金摩擦副的摩擦试验Fig.3 Friction test of PEEK/titanium alloy friction pair

2.2 表面处理对粘接性能的影响

本文对粘接试样分别进行超声清洗和等离子清洗。由于聚四氟乙烯很难粘接，因此在其表面处理后还进行了钠萘溶液的表面活化处理。为了增加钛合金表面的粗糙度，对钛合金表面进行了喷砂处理，喷砂的粒径为120目。

从剪切强度的测试结果可知，在超声清洗的条件下，聚四氟乙烯/钛合金粘接件的剪切强度为1.0 MPa，粘接件的破坏形式为界面破坏。而通过等离子清洗后的聚四氟乙烯/钛合金粘接件的剪切强度为2.3 MPa，粘接面破坏形式为界面破坏和内聚破坏的混合破坏形式。通过对比发现，等离子清洗后的粘接件比超声清洗后的粘接件具有更好的粘接性能，因为超声清洗主要将样件表面的油脂和污物清洗掉，而等离子清洗除了更彻底地将油脂和污物清洗掉之外，最主要的是通过等离子体的活性组分（包括离子、电子、活性基团、激发态的核素和光子等）可使表面活化。等离子清洗还具有良好的均匀性、重复性和可控性，所以清洗效果明显[4]。

2种清洗方法对聚醚醚酮/钛合金粘接件粘接性能的影响为：在超声清洗的条件下，粘接件的剪切强度为1.5 MPa，破坏形式为界面破坏；在等离子清洗的条件下，粘接件的剪切强度可达3.8 MPa，破坏形式为界面破坏和内聚破坏的混合破坏形式。因此，等离子清洗更利于试样粘接性能的提高。

2.3 固化工艺对粘接性能的影响

从表1可以看出，80 ℃/8 h固化粘接件的剪切强度最大，为2.6 MPa；而100 ℃/4 h固化剪切强度反而下降。可能是由于温度过高，导致整个粘接面局部发生快速固化，一部分固化后的交联点比较集中，而其他部分比较稀疏，表现出一定的脆性，在受力时容易发生脆性断裂，因此粘接性能下降。粘接面的破坏形式是以界面破坏为主的混合破坏。

由表2可见，不同固化工艺对聚醚醚酮/钛合金粘接件粘接性能的影响，和聚四氟乙烯/钛合金粘接件类似。因此，80 ℃/8 h的固化工艺对于聚醚醚酮/钛合金粘接件而言也是最佳的。

表1 固化工艺对聚四氟乙烯/钛合金试样粘接性能的影响Tab.1 Effect of curing process on bonding properties of PTFE/ titanium alloy

表2 固化工艺对聚醚醚酮/钛合金试样粘接性能的影响Tab.2 Effect of curing process on bonding properties of PEEK/ titanium alloy

3 结论

（1）通过聚四氟乙烯、聚醚醚酮分别与钛合金进行的摩擦磨损试验发现，聚四氟乙烯和聚醚醚酮分别适用于低摩擦和低磨损的工况使用要求。

（2）对比超声清洗和等离子清洗2种表面处理方法，等离子处理更利于粘接性能的提高。

（3）比较不同固化工艺对耐磨高分子材料/钛合金粘接件剪切强度的影响可知，80℃/8 h固化剪切强度最高。

[1]Friedrich K,Schlarb A K.Tribology of polymeric nanocomposites[M].UK:Elsevier Science,2008.

[2]黄丽,杨儒,郭江江,等.微米和纳米SiO2改性聚四氟乙烯的摩擦磨损性能[J].复合材料学报,2004,21(4):82-86.

[3]Bijwe J,Sen S,Ghosh A.Influence of PTFE content in PEEK-PTFE blends on mechanical properties and tribo-performance in various wear modes[J].Wear,2005,258:1536-1542.

[4]唐娟,程凯,钟明全,等.等离子清洗多层陶瓷外壳的研究[J].表面技术,2011,40(6):98-100.

Performance of adhesive bonding of wear-resistant polymer to titanium alloy

XIN Cun-liang, HE Shi-an
(The 16th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation, Hefei,Anhui 230043, China)

This paper selected the wear-resistant polymer and titanium alloy as friction pairs，and analyzed the friction test results of PTFE/titanium alloy and PEEK/titanium alloy.According to the different surface treatment methods, the influence of plasma cleaning and curing process on the bonding performance of wear-resistant polymer and titanium alloy was investigated.The results showed that the 80℃/8h curing process made the tensile shear strength of PTFE/titanium alloy reach 2.6 MPa, and the tensile shear strength of PEEK/titanium alloy reach 4.0 MPa.

friction coefficient;PTFE;PEEK;titanium alloy;shear strength

TG494

A

1001-5922（2015）04-0072-03

2014-08-21

辛存良（1988-），男，硕士，主要从事耐磨高分子材料的相关研究。E-mail：cunliangxin@163.com。