(1.中国航发西安动力控制科技有限公司 陕西西安 710021；2.中国科学院兰州化学物理研究所 甘肃兰州 730000)

基于绿色环保、节约能源的考虑或产品本身的服役工况限制，一些机械设备的摩擦部件或系统经常需要引入水作为工作或润滑介质。然而，水作为润滑介质，其黏度极低，不足矿物润滑油的1/50，很难在摩擦副表面形成有效的流体润滑膜，极易造成摩擦副的高摩擦与磨损，并因而发生卡滞或停车等严重事故。因此，针对水环境服役工况需要进行特别的摩擦配副材料优选与设计。相对于金属、陶瓷、涂层等硬质摩擦配副材料，聚合物及其复合材料更易于在低黏度的水相环境中实现有效的流体润滑，是比较理想的水润滑材料。高性能特种工程塑料聚醚醚酮(PEEK)，具有低密度、耐腐蚀、高强度、自润滑、易加工等综合优势，是目前应用最为广泛的高性能水润滑材料之一[1-6]。特别是碳纤维增强改性的聚醚醚酮复合材料(CF/PEEK)，其在水环境中具有极高的耐磨性，是目前公认性能最突出的水润滑材料，广泛用于制造苛刻水环境下服役的齿轮、轴承、缸套等摩擦部件[3,7-8]。

当聚合物材料在水环境中运行时，水会对其摩擦磨损行为产生重要影响。一方面，水具有一定的润滑效应以及冷却效应，有助于改善材料的摩擦与磨损性能；而另一方面，水分子会由聚合物复合材料表面扩散到本体之中，产生塑化作用，造成材料微区膨胀与应力集中，致使材料强度、硬度下降以及填料/基体微观界面破坏，从而加速材料磨损[9-11]。因此，聚合物材料在水润滑下的摩擦学性能很大程度上取决于水介质的具体作用机制。

液体水环境是目前聚醚醚酮等聚合物基水润滑材料的主要服役环境，现有的水润滑下的摩擦磨损理论也主要基于液体水环境建立。而事实上，水的存在形态较为复杂。在一些机械设备(如：中国航发西安动力控制科技有限公司某型水处理产品)中需要摩擦部件在水蒸气或水蒸汽环境下服役，前者是水的气体形态，而后者是雾状的气-液二相混合形态。不同形态的水在理化性能上存在较大差异，与聚合物材料的作用机制也显著不同。NICOLAIS等[12]的研究表明，液相与气相的水在聚醚醚酮材料中的扩散规律与破坏形式截然不同。因此，聚醚醚酮等聚合物材料在不同形态的水环境下服役时，其摩擦磨损性能可能会存在不同。然而目前关于水润滑聚合物材料摩擦学行为与水存在形态之间相关性的研究国内外尚不多见，对于实际应用缺乏有效的理论指导。

本文作者构建了专门的试验平台以模拟不同水环境工况，在不同的温度与湿度条件下对比研究了碳纤维增强聚醚醚酮复合材料分别在水蒸气(气态)、水蒸汽(即汽态，气-液二相混合态)与液态(水浸泡)3种水环境下自配副摩擦时的摩擦与磨损性能，系统考察了水的存在形态对材料摩擦学行为的影响规律。

1 试验部分

1.1 试验平台

为了准确模拟试验要求的气态水蒸气与气-液二相混合的雾状水蒸汽工况环境，并实现模拟工况环境下的原位摩擦磨损试验，构建了专门的试验平台，具体工作包括：(1)以VTB-B4可程式恒温恒湿箱为摩擦磨损试验平台主体环境模拟结构单元，该设备具有气态水蒸气发生器，可实现特定温度、特定湿度气态水蒸气环境的精确模拟(如图1(a)所示)；(2)将DRST-06AE超声波加湿器(该设备通过陶瓷片高频谐振可产生雾状水蒸汽，液滴直径1～5 μm)与恒温恒湿箱环境室进行管路连接，通过2台设备的联合运行，可实现特定温度、98%湿度雾状水蒸汽环境的精确模拟(如图1(b)所示)；(3)将MS-T3000小型摩擦磨损试验仪通过防水与线路改造后置于恒温恒湿箱环境室内，以完成模拟环境下的原位摩擦磨损试验(如图1(c)、(d)所示)。通过以上试验平台的搭建，可精确模拟特定温度与湿度的水蒸气或水蒸汽环境，并实现模拟环境下的原位摩擦磨损测试。此外，正常大气环境温度与湿度下的干摩擦与水浸泡摩擦试验并不需要环境模拟装置的辅助，在摩擦磨损试验机上即可实现。

图1 环境模拟测试平台

1.2 试验材料与方法

试验材料为碳纤维增强聚醚醚酮复合材料(CF/PEEK)，由中国科学院兰州化学物理研究所提供，牌号为S-0203，采用精密模压法制备。复合材料的基本性能参数如表1所示。

摩擦磨损试验参考标准：ASTM G99-2005。配副方式为自配副，接触方式为销-盘(Pin-on-Disc)面接触，相对运动形式为单向旋转滑动。销尺寸为Φ4.8 mm×12.7 mm，盘尺寸为φ54 mm×5 mm，载荷为45 N(接触应力2.5 MPa)，平均线速度为1.0 m/s，设定运行周期为240 min。水浸泡试验前在试验杯内加注适量去离子水，以完全浸没试验销与盘摩擦面为宜。试验前，打开摩擦磨损试验仪(水蒸气与水蒸汽汽环境模拟时还需要同时打开恒温恒湿箱与超声波加湿器)，预热30～60 min；调控恒温恒湿箱温度、湿度到指定值；待温、湿度参数稳定5～10 min后开始进行摩擦磨损测试。

表1 聚醚醚酮复合材料性能参数

设备摩擦因数预警保护值为0.7，一旦因摩擦太过剧烈、摩擦因数太大超过该保护值，摩擦试验将自动终止。销与盘试样的磨损率按如下公式进行计算：

其中：ωsp为磨损率，mm3/(N·m)；Δm为磨损质量损失，mg；ρ为S-0203材料密度，为1.35 mg/mm3；F为载荷，45 N；v为摩擦副对偶面相对滑动线速度，为1.0 m/s；t为运行时间，s。

摩擦因数与磨损率均取3次测试结果的算术平均值。

采用JSM-5600LV型扫描电子显微镜(SEM)观察聚醚醚酮复合材料的表面形貌。为保证观察的清晰度，SEM表征前对材料表面进行喷金处理以提高导电性。

2 结果与讨论

2.1 聚醚醚酮复合材料微观形貌

图2所示为聚醚醚酮复合材料的断面形貌。可见：碳纤维在聚醚醚酮基体中均匀分散，且与聚醚醚酮基体结合十分紧密，纤维/基体微观界面没有明显的空隙，这说明碳纤维与PEEK基体之间具有十分良好的界面结合。一般来讲，当纤维增强的聚合物复合材料处于水环境中时，水分子会通过2种方式进入复合材料内部，一种是通过聚合物自身扩散进入，一种是通过纤维/聚合物界面进入。以往的研究表明，水分子通过扩散进入聚合物自身的速率非常缓慢，而一旦纤维/聚合物界面存在空隙，水分子便会通过毛细效应迅速扩散到复合材料内部，从而造成吸水区域塑化以及纤维/界面破坏，引起材料力学性能衰减以及耐磨性的急剧下降[13-14]。显然，良好的微观界面结合是CF/PEEK复合材料在水环境下能够长期、可靠服役的重要原因之一。

图2 聚醚醚酮复合材料微观形貌

2.2 不同工况下聚醚醚酮复合材料的摩擦与磨损

碳纤维增强聚醚醚酮复合材料在不同润滑工况下的摩擦因数与磨损率测试结果分别如图3所示。

从图3(a)可以看出：在水蒸气(气态)工况下，摩擦试验在开始不到2 min就因为摩擦太过剧烈、摩擦因数太大超过设备保护值而被迫终止；运行时间段内平均摩擦因数为0.22～0.43，材料磨损率处于10-3mm3/(N·m)数量级(如表2所示)；随湿度增加，润滑性能会得到明显改善，表现为运行时间延长，磨损率减小。

从图3(b)可以看出：在水蒸汽(气-液二相混合态)工况下，摩擦试验开始不到5 min即因摩擦太过剧烈、摩擦因数太大超过设备保护值而被迫终止；运行试验时间段内平均摩擦因数为0.24～0.38，材料磨损率处于10-6mm3/(N·m)数量级(如表2所示)；随温度升高，润滑性能会得到明显改善，表现为运行时间延长、磨损率减小。

图3 不同工况下聚醚醚酮复合材料材料的摩擦因数变化曲线

环境工况 磨损率ω/(mm3·N-1·m-1) 销盘合计水蒸气温度40 ℃,环境湿度3.4×10-31.5×10-34.9×10-3温度40 ℃,50%湿度2.2×10-31.5 ×10-33.7 ×10-3温度40 ℃,98%湿度0.9×10-30.7 ×10-31.6 ×10-3温度80 ℃,环境湿度9.6×10-36.0 ×10-315.6×10-3温度80 ℃,50%湿度3.6×10-31.4×10-35.0×10-3温度80 ℃,98%湿度2.4×10-31.5×10-33.9×10-3水蒸汽温度20 ℃,98%湿度2.6×10-61.8×10-64.4×10-6温度40 ℃,98%湿度2.0×10-61.5×10-63.5 ×10-6温度80 ℃,98%湿度1.4×10-60.8×10-62.2×10-6水浸泡环境温度,水润滑1.2×10-90.2×10-91.4×10-9干摩擦环境温度,环境湿度2.2×10-31.5×10-33.7×10-3

从图3(c)可以看出：在干摩擦工况下，摩擦试验开始22 s后即因摩擦太过剧烈、摩擦因数太大超过设备保护值而被迫终止；运行时间段内平均摩擦因数为0.41，材料磨损率处于10-3mm3/(N·m)数量级(如表2所示)。

从图3(d)可以看出：在液体水浸泡工况下，整个试验阶段内摩擦因数极较低且极为稳定，平均摩擦因数仅为0.07，材料磨损率为各种工况下最小，仅为1.4×10-9mm3/(N·m)(如表2所示)。

2.3 不同工况下聚醚醚酮复合材料的磨损形貌

图4展示了聚醚醚酮复合材料在不同工况下自配副磨损后的表面形貌。

图4 不同工况下聚醚醚酮复合材料的扫描电镜图

从图4(a)可以看出：磨损试验后大量突出的碳纤维在材料磨损表面富集，这些纤维在摩擦磨损过程中将承受复合材料摩擦表面所受到的主要法向与切向应力，有效抑制聚合物基体所受到的摩擦损伤。从图4(a)、(b)、(d)可以看出：在干摩擦、水蒸气与水蒸汽工况下材料磨损表面均十分粗糙，磨损表面呈现出严重的片层剥落与塑性变形倾向，表现出黏着磨损的特征。聚合物材料的黏着磨损往往归因于润滑不足所引发的高摩擦以及大量的摩擦界面生热，界面温度的上升将加速聚合物材料的黏着转移，表现出振荡的摩擦磨损过程与严重的摩擦损失，这与摩擦磨损试验所反映的结果一致。从图4(c)可以看出：在水浸泡工况下材料磨损表面较为光滑，没有片层剥落与塑性变形发生，表现为轻微的磨粒磨损，这也反映了水浸泡工况下材料稳定的低摩擦滑动过程。

3 结论

(1)气态水蒸气对于聚醚醚酮复合材料几乎没有润滑能力，在该工况下材料发生严重的黏着磨损，其摩擦磨损行为与干摩擦工况下相当。

(2)雾状水蒸汽的润滑能力要优于气态水蒸气，但是该工况下材料仍然发生严重的黏着磨损，并不具备保证聚醚醚酮复合材料摩擦部件长期、可靠运行的能力。

(3)液体水润滑能够为聚醚醚酮复合材料提供长效、可靠的润滑保障，在该工况下聚醚醚酮复合材料为轻微的磨粒磨损，具有极低的摩擦因数与磨损率，具有实现长周期、高可靠服役的最大可能性。