二硫化钼塑料改性-PEEK耐磨复合材料/PTFE固体润滑复合材料

2026-04-27

二硫化钼塑料改性-PEEK耐磨复合材料/PTFE固体润滑复合材料

节选自：微信公众号：艾邦高分子 2026年4月25日 原标题：PEEK齿轮的性能优势及耐磨损性能改善方法

与金属齿轮相比，塑料齿轮具有质量轻、运行噪音小、耐磨性好、自润滑性能好、耐腐蚀等诸多优点，而且具有易成型、制造成本低、设计灵活等特点。可用于齿轮的塑料有PE、PP、PVC、PS以及PA、POM、PC、PPS、PEEK等等。本文主要关注PEEK复合材料用于齿轮的研究。

PEEK齿轮图源：君华特塑

注塑工艺制备的PEEK齿轮实物图

PEEK耐磨复合材料研究

特种工程塑料聚醚醚酮（PEEK），因其优异的机械性能、耐高温、耐腐蚀性能，被广泛用于航天航空、汽车、核工业等领域。纯PEEK虽然是一种机械性能优异的特种工程塑料，但其以纯料形式作为摩擦部件使用时却很难满足复杂的摩擦工况需求。这是因为纯PEEK的摩擦转移膜生成能力较差，只能形成斑点状、覆盖率较低、附着力差的转移膜，使其往往具备较高的摩擦系数（约为0.4）与较大的磨损率（约10^-4mm³/Nm）。

目前常被用来提升PEEK材料摩擦磨损性能的方法主要是熔融共混法。该方法通过熔融共混的方式在PEEK基体中添加不同类型的添加剂例如微米添加剂（如ZnS、TiO₂和短切碳纤维）、纳米颗粒（如SiO₂、CuO和ZrO₂）固体润滑剂（如PTFE、石墨和MoS₂）以改善PEEK复合材料的摩擦磨损性能。

填料的加入可以有效地增强PEEK复合材料的摩擦转移膜生成能力，特别是在大载荷条件下，会使得其所形成的摩擦膜的均匀性得到显著提高。

PEEK/SCF

Flock等人发现在PEEK基体中添加10%的微米级短切碳纤维能够令其磨损率降低超过一个数量级。

PEEK/ZrO2

Guo等人利用环-块测试装置探究了不同纳米粒子在不同载荷速度条件下对PEEK复合材料的摩擦性能影响，结果表明在300N载荷1m/s对磨速度工况条件下，ZrO₂/PEEK复合材料的磨损率能够降至低于10-6mm³/Nm。这说明纳米颗粒有潜力提高PEEK在高速工况下的摩擦学性能。

PEEK/PTFE

近十年来，科研人员致力于研究固体润滑剂聚四氟乙烯（PTFE）对PEEK摩擦学性能改善的作用。Burris等演讲表明在特定的测试工况下PEEK/PTFE的摩擦系数不仅比PEEK低，甚至还会小于固体润滑剂PTFE单独作用时的摩擦系数。并且，PEEK/PTFE复合材料的磨损率相比纯料PEEK得到了超过两个数量级的降低。磨损面分析显示这是因为带状的PTFE会覆盖在PEEK的裸露磨损表面上以形成润滑性能良好的保护层，从而改善了复合材料总体的摩擦学性能。

PEEK-PTFE/brass协同减磨自润滑滑动轴承实物图

Bijwe等人则利用低振幅振荡磨损探究了PEEK/PTFE复合材料在低速重载工况条件下（700N，0.05m/s）的摩擦磨损性能。结果表明PEEK/PTFE复合材料在低速重载条件下的磨损率能够降低至1×10-7mm³/Nm以下，同时将其摩擦系数降低至0.05以下。

PEEK/SCF/纳米粒子/石墨

为了进一步提升PEEK复合材料的综合性能，同时在基体中添加多种不同类型添加剂的多元改性方法成为近年的研究热点。例如Lin通过添加SCF,纳米粒子和石墨共同改性PEEK。结果显示在8MPa-4m/s的对磨条件下，多元混合法能够将复合材料的摩擦系数能降低至0.06,此时对应的磨损率为4.2×10-⁷mm³/Nm。

PEEK/石墨/氮化硼/玻璃纤维

Pandaa等则通过在PEEK基体中同时引入石墨、氮化硼与玻璃纤维形成多元改性PEEK复合材料。其研究结果表明，在高速重载（900N,2.5m/s）条件下复合材料的摩擦系数能够降至0.045，其磨损率则能够降低至4.0×10^-7mm³/Nm。

各协同摩擦工况条件下的纯PEEK试样销磨损表面形貌图

PTFE固体润滑复合材料研究

与PEEK不同，聚四氟乙烯(PTFE)是一种自润滑性能优异的高分子材料，常常被用作固体润滑剂使用。PTFE及其复合材料因其优异的耐化学性、高熔点和低摩擦系数而被广泛应用于不同的应用领域，如密封件和轴承等。

PTFE复合材料密封圈

PTFE复合材料具有优异的摩擦转移膜生成能力且摩擦系数很低。但是当它以纯料形式单独使用时，存在磨损严重的问题。国内外的研究者基于热压烧结的工艺，常通过在PTFE基体中添加不同类型的填料颗粒（如MoS₂、青铜、石墨和Al₂O₃）以进一步改善PTFE的转移膜生成能力和摩擦磨损性能。

关于添加剂颗粒对PTFE复合材料减磨效应的作用机理，许多研究工作提出了不同的假说。一方面，在PTFE基体中的添加剂颗粒可以阻断裂纹在基体内的传播，避免大规模碎屑的产生，从而减轻PTFE基体的磨损。另一方面，由于强度较好的添加剂颗粒在磨损表面上能够起到优先承担载荷的作用，进而保护较软的PTFE基材免受对磨面的直接刮擦，最终提高PTFE复合材料的耐磨性。

综上，填料对PTFE复合材料摩擦磨损性能的改善是一个复杂的系统行为，不仅涉及到微观的力学作用机理，还涉及到摩擦化学等反应。

参考资料：聚醚醚酮协同摩擦磨损机理及其在电驱动系统中的应用，林志斌等

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