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peek材料应用PEEK是什么材料[1]PEEK是什么材料聚醚醚酮(PEEK)树脂是一种性能优异的特种工程塑料，与其他特种工程塑料相比具有诸多显著优势，耐高温、机械性能优异、自润滑性好、耐化学品腐蚀、阻燃、耐剥离性、耐辐照性、绝缘性稳定、耐水解和易加工等，在航空航天、汽车制造、电子电气、医疗和食品加工等领域得到广泛应用。
性能优异应用广PEEK树脂最早在航空航天领域获得应用，替代铝和其他金属材料制造各种飞机零部件。
汽车工业中由于PEEK 树脂具有良好的耐摩擦性能和机械性能，作为制造发动机内罩的原材料，用其制造的轴承、垫片、密封件、离合器齿环等各种零部件在汽车的传动、刹车和空调系统中被广泛采用。
PEEK树脂是理想的电绝缘体，在高温、高压和高湿度等恶劣的工作条件下，仍能保持良好的电绝缘性能，因此电子信息领域逐渐成为PEEK树脂第二大应用领域，制造输送超纯水的管道、阀门和泵，在半导体工业中，常用来制造晶圆承载器、电子绝缘膜片以及各种连接器件。
作为一种半结晶的工程塑料，PEEK不溶于浓硫酸外的几乎所有溶剂，因而常用来制作压缩机阀片、活塞环、密封件和各种化工用泵体、阀门部件。
PEEK树脂还可在134℃下经受多达3000次的循环高压灭菌，这一特性使其可用于生产灭菌要求高、需反复使用的手术和牙科设备。
PEEK不仅具有质量轻、无毒、耐腐蚀等优点，还是目前与人体骨骼最接近的材料，可与肌体有机结合，所以用PEEK树脂代替金属制造人体骨骼是其在医疗领域的又一重要应用。
国内生产发展快PEEK树脂是20世纪70年代末由英国原ICI公司开发的，自问世以来，一直被作为一种重要的战略性国防军工材料，许多国家均限制出口。
PEEK 成型温度320度~390度烘料温度160~185 5H~8H 模具温度140~180这种材料成型温度太高，对螺杆损伤比较严重，在设定螺杆转速时速度不能太快，注射压力在100~130MPa 注射速度40~80 。
第50卷第6期2023年北京化工大学学报(自然科学版)Journal of Beijing University of Chemical Technology (Natural Science)Vol.50,No.62023引用格式:庞皓升,刘大猛,柴春鹏,等.MXenes 及其纳米复合涂层在硅/聚合物基接触面上的摩擦学行为[J].北京化工大学学报(自然科学版),2023,50(6):74-84.PANG HaoSheng,LIU DaMeng,CHAI ChunPeng,et al.Tribological behavior of MXenes and their nano⁃composite coat⁃ings on silicon /polymer contact surfaces[J].Journal of Beijing University of Chemical Technology (Natural Science),2023,50(6):74-84.MXenes 及其纳米复合涂层在硅/聚合物基接触面上的摩擦学行为庞皓升1 刘大猛2 柴春鹏3 尹 绚4*(1.中国航空研究院,北京 100012;2.清华大学机械工程系高端装备界面科学与技术全国重点实验室,北京 100084;3.北京理工大学材料学院,北京 100081;4.北京化工大学机电工程学院,北京 100029)摘 要:为了探究MXenes 及其纳米复合涂层的摩擦学行为,以硅片(单晶硅)为基底,分别制备了Ti 3C 2-MXenes 涂层㊁Ti 3C 2-MXenes /纳米金刚石复合涂层以及Ti 3C 2-MXenes /石墨烯复合涂层,测定了硅基底㊁MXenes 及其纳米复合涂层与多种材质轴承球对磨的摩擦系数,并采用光学显微镜㊁三维白光干涉扫描仪和Raman 光谱法对球斑及磨痕的表面形貌及组成进行了表征㊂结果表明:在所测试的不同材质摩擦球中,在循环次数为1200下硅基底与聚四氟乙烯(PTFE)球对磨时的摩擦系数最低,硅基底表面的磨痕边缘处有明显的沟壑,其磨损机理以磨粒磨损和黏着磨损为主,聚合物球表面的磨损机理以磨粒磨损和疲劳磨损为主;当硅基表面的Ti 3C 2-MXenes 涂层与PTFE 球对磨时,PTFE 球的自润滑作用使得在1N 载荷下MXenes 涂层的摩擦系数稳定在0.14,磨痕表面有明显的PTFE 转移层;在1N 载荷下,与PTFE 球对磨的Ti 3C 2-MXenes /纳米金刚石复合涂层的摩擦系数稳定在0.15;在0.5N 载荷下,与PTFE 球对磨的Ti 3C 2-MXenes /石墨烯复合涂层的摩擦系数稳定在0.18,与未加入石墨烯时相比,硅基表面的聚合物转移层减少㊂关键词:表面工程;MXenes;纳米涂层;固体润滑;摩擦学性能;磨损机理中图分类号:TH117;V261.93 DOI :10.13543/j.bhxbzr.2023.06.010收稿日期:2023-05-30基金项目:国家自然科学基金(51905295);清华大学高端装备界面科学与技术全国重点实验室开放基金(SKLTKF21B09);辽宁省航发材料摩擦学重点实验室开放基金(LKLAMTF202304)第一作者:男,1987年生,博士,工程师*通信联系人E⁃mail:yinxuan@引 言随着现代机械的发展,对以航空㊁航天㊁航海为代表的重大工程和机械装备的可靠性和使役极限提出了更高的要求,同时这些装备也面临着更加苛刻和特殊的服役环境,例如真空㊁重载㊁特殊气氛和介质腐蚀等㊂许多高精尖装备(如精密陶瓷轴承㊁陶瓷基板㊁特种工程塑料制品等)的关键运动副均属于易磨损㊁高消耗部件[1-2],运动部件的表面服役性能一直是机械装备安全服役的核心[3-4],机械运动部件的损伤与失效往往都从表面开始,因此如何降低部件表面磨损㊁延长其使用寿命成为航空及机械工程领域的研究热点之一㊂在高精尖装备中,硅基陶瓷材料(如单晶硅(Si)㊁氮化硅(Si 3N 4)㊁碳化硅(SiC)等)的硬度高,但在摩擦过程中容易产生碎屑,导致部件失效[5-6];特种工程塑料(如聚醚醚酮(PEEK)和聚四氟乙烯(PTFE)等)的耐高温性和耐受性好,但与硬质基底材料对磨时容易减少使用寿命[7-8]㊂因此,在摩擦过程中将陶瓷材料或特种工程材料的对磨表面隔绝开,有利于保持这些材料优异的机械性能,提高部件表面的耐磨性能㊂在过去的二十年里,研究者们发现一些二维固体材料如石墨烯㊁二硫化钼等在摩擦过程中能够阻隔摩擦副表面的直接接触,提供较好的润滑和耐磨效果[9-11]㊂随着功能性纳米材料制备技术及改性技术的发展,新型二维固体材料应运而生[12-13],例如二维过渡金属碳氮化物(MXenes)[14]㊁过渡金属二硫族化物(TMDS,如ReS2)㊁单原子层二维材料(Xenes,如硅烯㊁磷烯㊁硼烯)㊁二维有机金属-有机框架材料等㊂其中,由Gogotsi等于2011年发现的MXenes材料[14],如Ti3C2-MXenes㊁V2C-MXenes,其单一片层带可以由3层㊁5层或7层原子构成,具有层间距可调㊁电子结构丰富㊁载流子迁移率高等特性[15-16],已广泛应用于电化学储能领域㊂此外,在机械领域,研究者们发现通过层间范德华力的弱相互作用,MXenes还具有自润滑㊁耐磨等特性[17-18]㊂本课题组在前期的研究中发现,单体低维纳米材料虽然使用方便,但有时难以提供足够的功能化[19-20],而两种以上的低维纳米材料复合后的材料系统具有结构成分可调节和功能性多样化的特点,可赋予复合材料更好的可塑性㊁耐热性㊁自润滑性㊁环境可适性及耐磨性[21-22]㊂在常用的单体低维纳米材料中,石墨烯具有超薄的厚度㊁良好的减摩耐磨性能㊁较小的摩擦系数,是性质比较稳定的固体润滑材料;纳米金刚石作为优异的自润滑材料,已应用在润滑油中起到减摩及延长器件使用寿命的作用[19-20]㊂此外,本课题组通过对单体低维纳米材料的表面进行功能化修饰,发现赋予低维纳米材料表面更多种类及效应的多官能团,亦可以为其提供更佳的润滑特性或耐磨特性[23-24]㊂为了明晰陶瓷及聚合物等材料在滚动摩擦过程中的摩擦磨损机理,探究MXenes及其纳米复合涂层在硅/聚合物基表面的摩擦学行为,本文以单晶硅为下摩擦副基底材料,测定了MXenes及其纳米复合涂层与多种材质摩擦球对磨的摩擦系数,并采用光学显微镜㊁三维白光干涉扫描㊁拉曼光谱法对球斑及磨痕的表面形貌及组成进行了表征,研究结果可以为高消耗运动机构的表面优化选型提供参考㊂1 实验部分1.1 实验材料与仪器Ti3C2-MXenes,纯度99%,北京北科新材科技有限公司;无水乙醇,纯度99.5%,北京市通广精细化工公司;硅片(单晶硅),粗糙度<0.5nm,深圳市顺生电子科技有限公司;纳米金刚石,纯度99%,颗粒尺寸<10nm,上海阿拉丁生化科技股份有限公司;石墨烯,纯度99%,粒径5μm,表面积50~ 80m2/g,上海阿拉丁生化科技股份有限公司;Si3N4陶瓷球,G5级,苏州拓晓机械有限公司;ZrO2陶瓷球,G5级,苏州拓晓机械有限公司;聚丙烯(PP)轴承球,ExxonMobil TM,埃克森美孚化工公司;聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)轴承球,ACRYPOLY®光学级,奇美公司;聚甲醛(POM)轴承球,Delrin®500P,DuPont 公司;尼龙66(PA66)轴承球,Zytel®101NC010,Du⁃Pont公司;聚醚醚酮轴承球,VICTREX450PF,威格斯公司;聚四氟乙烯轴承球,TEFLON®,DuPont 公司㊂MS-M9000型球盘摩擦磨损试验机,兰州华汇仪器有限公司;VHX-3000型光学显微镜,基恩士(中国)有限公司;NewView TM8000型三维白光干涉扫描仪,美国ZYGO公司;Yvon HR800型拉曼光谱仪,法国Horiba Jobin Yvon公司㊂1.2 Ti3C2-MXenes涂层的制备将30mg的Ti3C2-MXenes加入烧杯中,倒入20mL无水乙醇,超声30min后,将得到的溶液缓慢滴在2cm×2cm的硅片表面㊂隔风避光静置至无水乙醇蒸发,得到Ti3C2-MXenes涂层㊂1.3 Ti3C2-MXenes/纳米金刚石复合涂层的制备将30mg的Ti3C2-MXenes和30mg的纳米金刚石均匀地撒到2cm×2cm的硅片表面,将0.4mL 无水乙醇缓慢滴在Ti3C2-MXenes和纳米金刚石的混合物表面,使用玻璃刮板刮涂混合物直到混合物在硅片表面分散均匀㊂待无水乙醇蒸发后,得到Ti3C2-MXenes/纳米金刚石复合涂层㊂1.4 Ti3C2-MXenes/石墨烯复合涂层的制备将1.5cm×1.5cm的硅片放置在烧杯底部,缓慢加入20mL无水乙醇,分别加入30mg的Ti3C2-MXenes和30mg的石墨烯㊂将烧杯密封,超声1h,静置至混合物粉末全部沉积到硅片表面㊂将硅片缓慢取出,隔风避光静置至无水乙醇蒸发,得到Ti3C2-MXenes/石墨烯复合涂层㊂1.5 测试与表征采用球盘摩擦磨损试验机测试涂层的摩擦学行为㊂取完整样品,在中间沿宽度方向以直线往复式进行摩擦磨损测试,相关测试参数如下:滚球为直径6mm的Si3N4陶瓷球及聚合物轴承球,室温,摩擦速度2Hz,行程长度4mm,载荷0.5~1N,测试时间10~45min㊂采用光学显微镜观察涂层摩擦磨损后磨斑及磨痕的表面形貌,放大倍数为300倍㊂采用三维白光干涉扫描仪观察涂层摩擦磨损后㊃57㊃第6期 庞皓升等:MXenes及其纳米复合涂层在硅/聚合物基接触面上的摩擦学行为磨斑及磨痕的三维形貌,目镜为10倍,物镜为1倍㊂采用拉曼光谱仪测试磨斑及磨痕的拉曼光谱,激发光源为Ar+,波长为514.5nm㊂2 结果与讨论2.1 硅基底的摩擦学行为在1N载荷下,分别在1200㊁14400的循环次数下测试硅基与不同材料摩擦球对磨的摩擦学曲线,结果如图1所示,其中14400循环次数下的测试是基于1200循环次数测试中摩擦系数较低的4个体系的延伸性实验㊂在1200的循环次数下球斑和磨痕的光学显微镜照片如图2所示㊂由图1(a)可以看出,在不同材料的摩擦球体系中,当循环次数为1200时PTFE体系的摩擦系数最低(0.031), PTFE本身是一种自润滑材料,其拉伸强度和弹性模量较低,在这几种材料中能够最大程度地避免硅片表面产生划痕和磨损㊂由图1(b)可以看出,在循环次数为14400时PTFE体系的摩擦系数维持在0.15,随着摩擦时间的增加,接触面上的PTFE由表面脱落或转移到硅基底表面,还有部分游离在摩擦接触面[7],因此摩擦系数相较于1200的循环次数时有所增大㊂此外,由图1(b)还可以看出,在14400的循环次数下PA66的摩擦系数维持在0.17,PA66作为一种回弹性好且耐磨的工程塑料,其高模量和低接触应力保证了在长时间摩擦过程中的耐疲劳性㊂在循环次数为5000左右时PA66和PTFE体系的摩擦系数急速下降,这是因为干摩擦时PA66和PTFE的变形速度增加,聚合物球的表面凹凸部分来不及与硅基底相互咬合,致使体系的摩擦系数显著降低[7,19]㊂图3和图4分别为硅基底与PTFE轴承球对磨的球斑和磨痕的三维白光干涉形貌和拉曼光谱㊂由图3可以发现,当PTFE轴承球与硅片对磨时,轴承球表面有部分PTFE脱落及游离,同时磨痕边缘处有明显的沟壑㊂由图4可以看出,磨痕表面的成分主要是Si,没有明显的PTFE残留,说明硅基表面的磨损机理以磨粒磨损和黏着磨损为主,而聚合物球表面的磨损机理以磨粒磨损和疲劳磨损为主㊂2.2 Ti3C2-MXenes涂层的摩擦学行为为了对比陶瓷球与聚合物球对Ti3C2-MXenes 涂层摩擦学行为的影响,选取常见的两种陶瓷球(Si3N4球和ZrO2球)以及润滑性能较好的两种聚合物球(PEEK球和PTFE球)进行摩擦学性能表征㊂图1 在1N载荷下硅基底与不同材料摩擦球对磨的摩擦学曲线Fig.1 Tribological curves of the silicon base rubbed against friction balls of different materials under a1N load 图5为不同载荷下Ti3C2-MXenes涂层与不同材料摩擦球对磨的摩擦学曲线,图6为球斑和磨痕的光学显微镜照片㊂由图5(a)可以发现,在1N载荷下,在所测试的摩擦球中Ti3C2-MXenes涂层与PTFE球对磨时的摩擦系数最低(0.14),并且摩擦系数曲线较为平稳;而与陶瓷球(Si3N4球和ZrO2球)对磨时,摩擦噪声和摩擦振动较大,摩擦系数较高㊂由图5(b)可以看出,在0.5N载荷下,相较于PEEK球,Ti3C2-MXenes涂层与PTFE球对磨的摩擦系数更低㊁更稳定,1200循环次数下的摩擦系数约为0.30㊂由图6可以看出,在0.5N载荷下,硅片表面有少量的棕色和灰色转移物;当载荷增大至1N时,硅片表面的棕色和灰色转移物增多㊂在干摩擦工况下,在摩擦力的作用下PTFE球的部分接触面产生脱落,在磨擦过程中这些黏着碎屑与Ti3C2-MXenes一起被压实在硅片表面,沿着滑移方向形成规则㊁致密的转移膜[25-27]㊂通常,柔顺的分子链更易沿摩擦剪切力方向排列,分子链柔顺性越高的聚合物,其摩擦系数一般越低[28]㊂PTFE的分子链由C C单键骨架以及C H单键构成,而PEEK的分子主链上除了C C单键外,还有含双键㊃67㊃北京化工大学学报(自然科学版) 2023年图2 在1200的循环次数下硅基底与不同材料摩擦球对磨的球斑和磨痕的光学显微镜照片Fig.2 Optical microscope images of ball spots and abrasion tracks of the silicon base rubbed against frictionballs of different materials in1200cycles图3 硅基底与PTFE球对磨的球斑和磨痕的三维白光干涉形貌Fig.3 Three⁃dimensional white⁃light interferencemorphologies of ball spots and wear tracks ofthe silicon base rubbed against the PTFE ball 氧的酮键以及含单键氧的醚键,PTFE的柔顺性要高图4 硅基底与PTFE球对磨的拉曼光谱Fig.4 Raman spectra of the silicon base rubbedagainst the PTFE ball于PEEK,因此在相同条件下PTFE球对磨体系的摩擦系数更低㊂此外,PTFE的弹性模量较低㊃77㊃第6期 庞皓升等:MXenes及其纳米复合涂层在硅/聚合物基接触面上的摩擦学行为(0.5GPa),能够极大地改变粗糙表面的接触方式,加速接触更大的面积,从而使摩擦系数降低㊂图5 不同载荷下Ti 3C 2-MXenes 涂层与不同材料摩擦球对磨的摩擦学曲线Fig.5 Tribological curves of the Ti 3C 2-MXenes coatingrubbed against friction balls of different materials un⁃der different loads 图6 不同载荷下Ti 3C 2-MXenes 涂层与PEEK 和PTFE 球对磨的球斑和磨痕的光学显微镜照片Fig.6 Optical microscope images of ball spots and abrasion tracks of the Ti 3C 2-MXenes coating rubbed against the PEEKand PTFE balls under different loads图7和图8分别为不同载荷下Ti 3C 2-MXenes涂层与PTFE 球对磨后磨痕的三维白光干涉形貌和拉曼光谱㊂从图7中可以看出两种载荷下的磨痕表面都很光滑,并且磨痕深度近乎为0,表明Ti 3C 2-MXenes 涂层具有优异的耐磨性能㊂由图8可以看出,两种载荷下的磨痕表面皆有转移物生成㊂在0.5N 载荷下,磨痕表面有大量的PTFE 和Ti 3C 2-MXenes 存在,PTFE 的特征峰信号(位于200~850cm -1的5个峰以及位于1320~1750cm -1的4个峰)极大地掩盖了Ti 3C 2-MXenes 的特征峰信号(位于120~600cm -1的3个峰以及位于1344cm -1的D 峰和1570cm -1的G 峰)[19-20];比较图4和图8可以看出,受Ti 3C 2-MXenes 结构退化的影响,PTFE 的特征峰位置发生了红移;此外,在136cm -1处发现了Ti 3C 2-MXenes 的特征峰信号㊂以上结果表明在摩擦过程中PTFE 转移至硅片表面,并与硅片表面的Ti 3C 2-MXenes 在接触面上形成了致密的转移膜㊂当载荷增大至1N 时,磨痕表面仍能发现微弱的PTFE 和Ti 3C 2-MXenes 特征峰,同时能看到明显的Si 特征峰,说明转移膜被明显压实,这可以从三维白光干涉图(图7)中得到证实(硅片表面的转移膜厚度由4.17μm 减小到2.04μm),从而使得Si 特征峰的信号可以透过转移膜㊂以上结果说明摩擦诱导使得Ti 3C 2-MXenes 和PTFE 发生转移并形成致密的转移膜,从而降低摩擦系数,其磨损机理以黏着磨损为主㊂2.3 Ti 3C 2-MXenes /纳米金刚石复合涂层的摩擦学行为为了研究不同载荷下聚合物球对Ti 3C 2-MXenes /纳米金刚石复合涂层摩擦学行为的影响,选取与纳米金刚石对磨时润滑性能较好的两种聚合㊃87㊃北京化工大学学报(自然科学版) 2023年图7 不同载荷下Ti3C2-MXenes涂层与PTFE球对磨的磨痕三维白光干涉形貌Fig.7 Three⁃dimensional white⁃light interference morpholo⁃gies of wear tracks of the Ti3C2-MXenes coatingrubbed against the PTFE ball under different loads图8 Ti3C2-MXenes涂层与PTFE球对磨的磨痕拉曼光谱Fig.8 Raman spectra of wear tracks of the Ti3C2-MXenes coating rubbed against the PTFE ball物球(PEEK球和PTFE球)进行摩擦学性能表征㊂图9为不同载荷下Ti3C2-MXenes/纳米金刚石复合涂层与PEEK和PTFE球对磨的摩擦学曲线,图10为球斑和磨痕的光学显微镜照片㊂可以看出,在0.5N载荷下,经过短暂跑合后,与PTFE球对磨的Ti3C2-MXenes/纳米金刚石复合涂层的摩擦系数由0.16(循环次数300)增大至0.26(循环次数1200)(图9),并且在磨痕表面发现大块的涂层碎片以及明显的灰棕色摩擦轨迹(图10)㊂在1N载荷下,与PTFE球对磨的复合涂层的摩擦系数一直稳定在0.15(图9),并且磨痕较宽,表面存在少许棕色和黑色的摩擦产物(图10),这是由于长时间加载使PTFE发生塑性变形,导致聚合物链被压实[29-30],有利于形成致密的转移膜,因此体系的摩擦系数较低㊂在PEEK体系中可以发现类似的摩擦系数变化趋势,随着载荷由0.5N增加至1N,摩擦系数由0.44降低至0.42㊂同时,PEEK体系的摩擦噪声比PTFE 更大,这与PEEK的模量是PTFE的8倍有关[7,19],作为可用于摩擦学领域的聚合物材料,高模量的聚合物材料在摩擦过程中会增大摩擦噪声[31-32]㊂图中数字表示整个曲线的平均摩擦系数㊂图9 不同载荷下Ti3C2-MXenes/纳米金刚石复合涂层与PEEK和PTFE球对磨的摩擦学曲线Fig.9 Tribological curves of the Ti3C2-MXenes/nano⁃dia⁃mond composite coating rubbed against the PEEKand PTFE balls under different loads选取摩擦学性能测试结果较好的PTFE对磨体系作为磨斑及磨痕表面形貌结构的表征样品㊂图11和图12分别为不同载荷下Ti3C2-MXenes/纳米金刚石复合涂层与PTFE球对磨后磨痕的三维白光干涉形貌和拉曼光谱㊂由图11可以看出,在0.5N和1N的载荷下,复合涂层与PTFE球对磨后的磨痕深度很浅,近乎无磨损㊂从图12中可以发现,在低载荷(0.5N)下,磨痕表面以硅元素为主,此外还有少量PTFE㊁纳米金刚石和Ti3C2-MXenes的磨损退化产物㊂在高载荷(1N)下,复合涂层的表面生成了大量PTFE㊁纳米金刚石和Ti3C2-MXenes的摩擦诱导产物,覆盖在硅片表面,对硅片起到保护作用,从而降低磨损㊂以上结果说明二维纳米金刚石㊁Ti3C2-MXenes和PTFE皆参与了耐磨转移膜的形成,也证实摩擦过程中它们发生了摩擦诱导转移,硅基表面㊃97㊃第6期 庞皓升等:MXenes及其纳米复合涂层在硅/聚合物基接触面上的摩擦学行为图10 不同载荷下Ti3C2-MXenes/纳米金刚石复合涂层与PEEK和PTFE球对磨的球斑和磨痕的光学显微镜照片Fig.10 Optical microscope images of ball spots and abrasion tracks of the Ti3C2-MXenes/nano⁃diamond composite coating rubbed against the PEEK and PTFE balls under different loads图11 不同载荷下Ti3C2-MXenes/纳米金刚石复合涂层与PTFE球对磨的磨痕三维白光干涉形貌Fig.11 Three⁃dimensional white⁃light interference morphol⁃ogies of wear tracks of the Ti3C2-MXenes/nano⁃di⁃amond composite coating rubbed against the PTFEball under different loads的磨损机理以磨粒磨损和黏着磨损为主㊂2.4 Ti3C2-MXenes/石墨烯复合涂层的摩擦学行为为了研究不同载荷下聚合物球对Ti3C2-MXenes/石墨烯复合涂层摩擦学行为的影响,选取与石墨烯对磨时润滑性能较好的两种聚合物球(PMMA球和PTFE球)进行摩擦学性能表征㊂图13为不同载荷下Ti3C2-MXenes/石墨烯复合涂图12 Ti3C2-MXenes/纳米金刚石复合涂层与PTFE球对磨的磨痕拉曼光谱Fig.12 Raman spectra of wear tracks of the Ti3C2-MXenes/nano⁃diamond composite coating rubbedagainst the PTFE ball层与PMMA和PTFE球对磨的摩擦学曲线,图14为球斑和磨痕的光学显微镜照片㊂由图13可以看出,在两种载荷下Ti3C2-MXenes/石墨烯复合涂层与PTFE球对磨时摩擦系数较为稳定并且低于0.2,相较于1N载荷,在0.5N载荷下复合涂层的摩擦系数更低(0.18)㊂由图14可以看出,在0.5N载荷下磨痕表面的转移物很少,当载荷增大到1N时,磨痕表面覆盖了更多的棕色和灰色转移物和复合涂层碎片㊂此外,与PMMA球相比,Ti3C2-MXenes/石墨㊃08㊃北京化工大学学报(自然科学版) 2023年图13 不同载荷下Ti3C2-MXenes/石墨烯复合涂层与PMMA和PTFE球对磨的摩擦学曲线Fig.13 Tribological curves of the Ti3C2-MXenes/graphene composite coating rubbed against the PMMA andPTFE balls under differentloads图14 不同载荷下Ti3C2-MXenes/石墨烯复合涂层与PMMA和PTFE球对磨的球斑和磨痕的光学显微镜照片Fig.14 Optical microscope images of ball spots and abrasion tracks of the Ti3C2-MXenes/graphene compositecoating rubbed against the PMMA and PTFE ballsunder different loads 烯复合涂层与PTFE球对磨时摩擦学测试曲线噪声降低,稳定性增强,在摩擦过程中低模量的PTFE可以在降低复合材料摩擦力的同时降低摩擦噪声[31-32]㊂在摩擦过程中,纳米复合涂层体系可以减弱单一二维材料的摩擦并提高摩擦稳定性[33-35]㊂ 图15和图16分别为不同载荷下Ti3C2-MXenes/石墨烯复合涂层与PTFE球对磨后磨痕的三维白光干涉形貌和拉曼光谱㊂由图15可知,在0.5N载荷下,硅片表面的磨损极少㊂由图16可以看出,在0.5N载荷下磨痕表面存在明显的硅特征峰,此外,还能看到分别位于1342cm-1和1595cm-1的D峰和G峰[19-20],这些峰与Ti3C2-MXenes和石墨烯的D峰和G峰的位置一致,硅片表面的D峰与G峰的强度比(I D/I G)为1.49,远高于Ti3C2-MXenes图15 不同载荷下Ti3C2-MXenes/石墨烯复合涂层与PTFE球对磨的磨痕三维白光干涉形貌Fig.15 Three⁃dimensional white⁃light interference morphol⁃ogies of wear tracks of the Ti3C2-MXenes/graphenecomposite coating rubbed against the PTFE ball un⁃der different loads和石墨烯(I D/I G分别为0.91和0.12)㊂此外, 627cm-1处的碳结构峰来自Ti3C2-MXenes,与未经摩擦的Ti3C2-MXenes(629cm-1)相比,特征峰位置发生了轻微位移,这是由于PTFE是一种多孔网络结构,也是一种有缺陷的结构,在Raman信号测试范围内,这些缺陷会影响Ti3C2-MXenes特征峰的信号出现[36]㊂当载荷增加到1N时,Ti3C2-MXenes/石墨烯复合涂层的表面仍存在极小的磨损,Raman光谱中磨痕上的D峰和G峰消失,磨痕表面的转移物以PTFE㊁退化的纳米材料(即Ti3C2-MXenes和石墨烯)为主㊂在低载荷下,纳米片层的㊃18㊃第6期 庞皓升等:MXenes及其纳米复合涂层在硅/聚合物基接触面上的摩擦学行为存在有利于发挥纳米复合涂层的耐磨特性,以削弱硅片表面的磨损,同时说明硅基表面的磨损机理以黏着磨损为主㊂图16 Ti 3C 2-MXenes /石墨烯复合涂层与PTFE 球对磨的磨痕拉曼光谱Fig.16 Raman spectra of wear tracks of the Ti 3C 2-MXenes /graphene composite coating rubbed against the PTFEball3 结论(1)在所测试的不同材质摩擦球中,在循环次数为1200下硅基底与PTFE 球对磨时的摩擦系数最低,硅基表面的磨损机理以磨粒磨损和黏着磨损为主,聚合物球表面的磨损机理以磨粒磨损和疲劳磨损为主㊂(2)摩擦诱导使得Ti 3C 2-MXenes 涂层和PTFE球表面发生转移形成致密的转移膜,从而降低摩擦系数,在1N 负载下摩擦系数仅为0.14,但硅片表面仍有少量磨损㊂(3)在Ti 3C 2-MXenes 涂层中加入纳米金刚石后,纳米金刚石㊁Ti 3C 2-MXenes 和PTFE 发生摩擦诱导转移,与未加入纳米金刚石时相比,硅基底表面的磨损减弱㊂(4)当石墨烯与Ti 3C 2-MXenes 涂层复合后,磨痕表面存在的纳米片层能够削弱硅片表面的磨损,其磨损机理以黏着磨损为主㊂参考文献:[1] 杨扬,何立东,张雨霏.轮盘搭接干摩擦接触结构转子减振特性研究[J].北京化工大学学报(自然科学版),2021,48(4):79-85.YANG Y,HE L D,ZHANG Y F.Damping characteris⁃tics of a dry⁃friction contact rotor with an overlapped wheel [J ].Journal of Beijing University of Chemical Technology (Natural Science),2021,48(4):79-85.(in Chinese)[2] 刘洪冰,姚鹏,李振国,等.基于再制造技术的风电机组偏航制动盘修复[J ].可再生能源,2022,40(7):921-925.LIU H B,YAO P,LI Z G,et al.Repairing for yaw discsof wind turbines based on a remanufacturing technology [J ].Renewable Energy Resources,2022,40(7):921-925.(in Chinese)[3] 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常用的非金属材料介绍常用非金属材料可分为陶瓷、磨料、碳和石墨、石棉等无机材料及塑料、橡胶、胶粘剂等有机材料两大类。
1、塑料塑料的强度及刚度远低于金属材料，只适于制造承受载荷不大、对刚度要求不高的零件，如壳体、支架、手柄、手轮、防护挡板、仪表盖或框、覆盖板等，可以选用聚苯乙烯、酸性聚乙烯、聚碳酸酯、聚苯醚、有机玻璃等。
传动零件一般承受载荷不大，低速时可用低压聚乙烯、聚乙烯、聚氯乙烯，大的齿轮、齿条、凸轮、蜗轮、带轮等也可用塑料制造。
要求稍高一些的框架类零件且工作条件相对苛刻一些时，可选择的塑料有尼龙、MC尼龙、聚甲醛、聚碳酸酯、聚氯醚（氯化聚醚）、夹布酚醛等。
受力较小的滑动轴承、轴套、导轨和某些密封圈，以及对材料的力学性能要求不高，但要求有良好的自润滑性能、低的摩擦系数和一定的耐油性及耐热性的，可以选用低压聚乙烯、尼龙1010、MC尼龙、聚氯醚、聚甲醛、聚四氟乙烯等。
在载荷不大的情况下，与无机耐蚀材料相比，塑料具有一定的优越性，因此塑料的应用比重日益增大。
由于不同的塑料品种，有的耐酸、有的耐碱、有的耐溶剂，因此要针对腐蚀条件选择塑料品种。
一般腐蚀条件可选用聚烯烃类塑料，若同时还要求有较高的力学性能时，可选聚气醚；既要求耐强酸、强氧化酸，又要求耐强碱时，采用氟塑料（如聚四氟乙烯）。
要求耐蚀的容器或其他零件，可采用塑料衬里结构、加强复合结构和涂层结构。
塑料因其优异的绝缘性能，也常用来制造电器零件。
普通电器元件要求绝缘、耐弧、耐燃及具有一定的强度和耐热性，可选用聚烯烃塑料、酚醛塑料、胺烃和环氧塑料等。
高压绝缘件选用交联聚乙烯、聚碳酸酯、氟塑料和环氧塑料。
高频绝缘件选用聚烯烃、氟塑料、聚酰亚胺、有机硅、聚丙醚、聚苯乙烯和聚丙烯等。
2、合成橡胶合成橡胶按用途分为通用橡胶和特种橡胶。
通用橡胶用来生产轮胎、传送带、传动带、胶管、胶辊、密封装置、减振装置等。
特种橡胶用来制造在特殊条件（如高温、低温，需要耐碱、耐酸、耐油及防辐射等）下使用的橡胶产品。
复合轴承生产工艺复合轴承是一种由金属基体和高分子材料复合制成的轴承。
其生产工艺包括原材料准备、工艺设计、工艺加工和质量控制等环节。
首先是原材料准备。
复合轴承的金属基体一般选择钢材，如GCr15、GCr9等。
需要对钢材进行切削、锻造或铸造等加工，得到所需形状的零件。
而高分子材料则选择具有良好耐磨、耐腐蚀和抗高温性能的聚合物。
通常选择的高分子材料有聚四氟乙烯（PTFE）、尼龙（PA）、聚酰亚胺（PI）等。
接下来是工艺设计。
根据轴承的种类和用途要求，确定工艺方案。
主要包括轴承的形状设计、工艺路线选择和工艺参数调整等。
同时，要结合原材料特性和工艺加工要求，确保轴承的性能和质量。
然后是工艺加工。
主要包括金属基体的加工和高分子材料的涂覆。
对于金属基体，进行切削、热处理、制孔、磨削等工序，制成精度高、表面光洁度好的轴承零件。
而高分子材料则采用涂覆工艺，将高分子材料涂覆在金属基体表面。
涂覆工艺可以选择涂刷、喷涂、浸渍等方式，根据实际情况确定。
最后是质量控制。
在加工过程中，要对轴承的尺寸、表面质量、涂覆厚度等进行检查和控制。
可以使用各种测量仪器和设备，如千分尺、显微镜、表面粗糙度仪等。
同时，还要进行静态和动态性能测试，如承载能力测试、摩擦系数测试等，确保轴承性能符合要求。
对于不合格品，要及时采取措施进行整改或淘汰。
综上所述，复合轴承的生产工艺包括原材料准备、工艺设计、工艺加工和质量控制等环节。
只有通过科学规范的工艺流程和严格的质量控制，才能生产出具有优异性能和稳定质量的复合轴承产品。
工程塑料轴承知识工程塑料轴承知识工程塑料轴承是一种专用轴承，由于其具有防腐、耐磨损等特点，被广泛应用于食品、医药、化工、冶金、水利、造纸、纺织、电力等领域。
本文将介绍工程塑料轴承的相关知识。
一、工程塑料轴承的材料工程塑料轴承一般采用热塑性塑料制成，包括尼龙（PA6/PA66）、聚酰胺（PPS）、聚四氟乙烯（PTFE）、聚苯硫醚（PPS）等，这些材料具有高强度、高温耐受性及耐腐蚀等性能。
二、工程塑料轴承的分类1.滑动轴承滑动轴承也叫油膜轴承，采用光滑的表面使轴承能够滑动，与滚动轴承相比，它可以承受更高的负载和更高的速度。
常用的滑动轴承有丝杠轴承、球面轴承等。
2.滚动轴承滚动轴承是利用滚动轴承体的滚动摩擦来承受载荷。
可以分为球面轴承、圆柱滚子轴承、锥形滚子轴承等，具有更好的运动精度和更小的摩擦系数。
三、工程塑料轴承的优点1.耐磨损工程塑料轴承具有较好的耐磨损性能，相对于金属材料，工程塑料材料更容易获得润滑，从而降低磨损。
2.耐腐蚀工程塑料轴承能够抵御腐蚀，能够在极端的化学环境下使用，比如强酸、强碱等。
3.减震降噪工程塑料轴承能够减少震动和噪声，可以降低轴承的振动和噪声，提高整个系统的工作效率和稳定性。
4.自润滑工程塑料轴承的自润滑性能比较好，可以在工作中自动形成润滑膜，从而减少磨损。
5.重量轻相比金属材料，工程塑料轴承具有较轻的重量，可以减少设备的重量和运输成本。
四、工程塑料轴承的应用1.食品加工和输送设备工程塑料轴承在食品加工和输送设备中应用广泛，因为它符合食品行业对卫生和耐腐蚀的要求。
2.医疗器械在医疗器械领域中，工程塑料轴承可以抵抗消毒剂和除菌剂的腐蚀，具有独特的优势。
3.电子设备工程塑料轴承还可以在电子设备中使用，因为它能在较高的温度和较小的空间内工作。
4.海洋设备工程塑料轴承还可以在海洋设备中使用，因为它抵抗海水和盐水的腐蚀。
五、工程塑料轴承的注意事项1.使用温度不能超出材料所能承受范围。
特种材料有哪些特种材料是指在特定工程或产品中具有特殊功能和性能的材料。
它们通常具有特殊的物理、化学或机械性质，能够满足特定的工程需求。
特种材料在现代工业和科技领域中扮演着重要的角色，广泛应用于航空航天、军事装备、能源开发、医疗器械等领域。
下面我们将介绍一些常见的特种材料。
1. 钛合金。
钛合金是一种具有高强度、耐腐蚀性和轻质的特种材料，被广泛应用于航空航天和航空发动机制造领域。
它具有优异的机械性能和耐高温性能，能够满足航空航天领域对材料强度和耐腐蚀性的要求。
2. 碳纤维复合材料。
碳纤维复合材料是由碳纤维和树脂基体组成的复合材料，具有高强度、高模量、低密度和耐腐蚀性等优良性能。
它被广泛应用于航空航天、汽车制造、体育器材等领域，能够有效减轻结构重量，提高产品性能。
3. 隐身材料。
隐身材料是一种具有良好的电磁波吸收性能和低雷达反射截面的特种材料，能够有效降低飞机、舰船等军事装备的被侦测概率。
隐身材料被广泛应用于军事领域，是提高军事装备隐身性能的关键材料。
4. 超高分子量聚乙烯。
超高分子量聚乙烯具有极高的分子量和优异的耐磨性能，被广泛应用于防弹材料、输送带、轴承等领域。
它具有出色的抗冲击性能和耐磨损性能，能够有效保护人身安全和延长机械设备的使用寿命。
5. 高温合金。
高温合金是一类能够在高温、高压和腐蚀环境下保持稳定性能的特种材料，被广泛应用于航空发动机、燃气轮机、化工设备等领域。
它具有优异的耐高温、耐氧化和耐腐蚀性能，能够满足高温工作环境的要求。
以上就是关于特种材料的介绍，这些特种材料在各自领域都具有重要的应用价值，为现代工业和科技的发展做出了重要贡献。
希望本文能够帮助您更加深入地了解特种材料的特性和应用。
复合轴承材料
复合轴承材料是一种由金属基体和复合材料层组成的轴承材料，它具有高强度、耐磨损、耐腐蚀等优良性能，被广泛应用于机械设备、汽车、航空航天等领域。
本文将从复合轴承材料的组成、性能特点、应用领域等方面进行介绍。
首先，复合轴承材料的组成主要包括金属基体和复合材料层。
金属基体通常采
用铜、铝、铁等金属材料，具有良好的导热性和导电性，能够承受较大的载荷。
复合材料层则由树脂、纤维等材料复合而成，具有良好的耐磨损、耐腐蚀性能。
这种双层结构使得复合轴承材料既具备了金属材料的强度，又具有了复合材料的优异性能，能够满足各种复杂工况下的使用要求。
其次，复合轴承材料具有优良的性能特点。
首先，它具有高耐磨损性能，能够
在高速高负荷条件下保持良好的工作状态，延长使用寿命。
其次，复合轴承材料具有良好的自润滑性能，能够减少摩擦损失，提高工作效率。
此外，它还具有良好的耐腐蚀性能，能够在恶劣环境下长期稳定工作。
综合这些性能特点使得复合轴承材料在各种机械设备中得到广泛应用。
复合轴承材料在机械设备、汽车、航空航天等领域有着广泛的应用。
在机械设
备中，复合轴承材料能够承受高速高负荷的工作条件，保证设备的稳定运行。
在汽车领域，复合轴承材料能够减少摩擦损失，提高发动机效率，降低能耗。
在航空航天领域，复合轴承材料能够满足轻量化、高强度的要求，保证飞行器的安全可靠运行。
综上所述，复合轴承材料具有双层结构、优良的性能特点和广泛的应用领域，
是一种性能优越的轴承材料。
随着科技的不断进步，相信复合轴承材料将在未来得到更广泛的应用和发展。
塑料人必看：七种特种工程塑料简介及应用特种工程塑料亦称高性能聚合物，一般均为根据特殊用途需求而研制，与通用工程塑料相比性能更优异、独特，长期使用温度在200℃以上。
自上世纪60年代聚亚胺（PI）问世开始，开发成功并产业化的主要品种有聚亚胺（PI）、聚胺亚胺（PAI）、聚醚亚胺（PEI）、聚苯硫醚（PPS）、聚砜（PSF）、聚醚砜（PES）、聚醚醚酮（PEEK）、液晶聚合物（LCP）和氟塑料等。
今天我们简单介绍其中7种特种工程塑料。
聚醚醚酮PEEK聚醚醚酮是一种线型芳香族半结晶型热塑性塑料，是一种具有传奇色彩的特种工程塑料，具有前所未有极高性能的特种工程塑料，自诞生以来就一直被作为一种重要的战略国防军工材料。
全称：聚醚醚酮结构式：合成方式：缩聚熔点：334℃玻璃化转变温度：143℃，其玻纤或纤维增强级可在250℃下长期使用。
优点：蠕变量低，弹性模量高，优异的摩擦性能，特别耐摩擦，抵抗各种介质的侵蚀及非常优异的耐化学性。
缺点：不溶于工业溶剂，合成困难，产量相对较低玻璃化转变温度低等。
应用领域：电子电气、机械、汽车工业、、石油勘探、医疗、保护涂层等图 PEEK螺丝图脊柱内固定器聚苯硫醚PPS聚苯硫醚，又叫聚苯撑硫、聚次苯基硫醚，诞生于1973年，虽然发展时间才40余年，但潜力极大，号称是第六大工程塑料，是我国能自主产业化的特种工程塑料。
全称：聚苯基硫醚结构式：合成方式：Ma callum法、缩合法、Philips法熔点：280~290℃分解温度：430~460℃（在空气中）结晶度：最高达65%优点：优良的热稳定性，长期使用温度在热塑性材料中最高，达220~240℃，优良的抗蠕变性能。
缺点：型材抗冲击性较弱，断裂伸长应变非常低。
应用领域：电子电气，机械，汽车，阻燃配件等图索尔维雾灯反光杯聚砜PSF有普通双酚A型PSF，聚醚砜和聚芳砜三种。
全称：聚砜结构式：图聚砜PSF结构式图聚醚砜PES结构式图聚芳砜PASF结构式耐热性：聚芳砜>聚醚砜>聚砜加工性：聚芳砜=聚砜>聚醚砜优点：优异的力学性能，高强度，高模量，高硬度，低蠕变性，耐热，耐寒，耐老化，热变形温度高，化学稳定性好，耐无机酸、碱、盐液的侵蚀，电绝缘性优良，耐辐射，并具有自熄性。
