聚醚醚酮与不同硬质涂层配副的摩擦学行为对比_周小卉.pdf
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1、 表面技术 第 52 卷 第 6 期 246 SURFACE TECHNOLOGY 2023 年 6 月 收稿日期:20220506;修订日期:20221026 Received:2022-05-06;Revised:2022-10-26 基金项目:中国科学院 A 类战略性先导科技专项(XDA22010303);中科院创新团队(292020000008);浙江省自然科学基金(LQ20E020004);宁波市科技创新 2025 重大专项(2022Z054)Fund:A-Class Pilot of the Chinese Academy of Sciences(XDA22010303);CAS
2、Interdisciplinary Innovation Team(292020000008);Zhejiang Provincial Natural Science Foundation of China(LQ20E020004);Ningbo Science and Technology 2025 Innovation Project(2022Z054)作者简介:周小卉(1998),女,硕士生,主要研究方向为严苛环境防护涂层技术。Biography:ZHOU Xiao-hui(1998-),Female,Postgraduate,Research focus:coating technol
3、ogy for harsh environment protection.通讯作者:柯培玲(1979),女,博士,研究员,主要研究方向为减摩耐磨防护涂层。Corresponding author:KE Pei-ling(1979-),Female,Doctor,Professor,Research focus:antifriction and wear resistant protective coating.引文格式:周小卉,孙丽丽,蒋先春,等.聚醚醚酮与不同硬质涂层配副的摩擦学行为对比J.表面技术,2023,52(6):246-255.ZHOU Xiao-hui,SUN Li-li,JIA
4、NG Xian-chun,et al.Comparison of Tribological Behavior of Polyetheretherketone Matched with Different Hard CoatingsJ.Surface Technology,2023,52(6):246-255.聚醚醚酮与不同硬质涂层配副的摩擦学行为对比 周小卉1,2,孙丽丽1,蒋先春1,崔丽1,汪爱英1,3,崔平2,3,柯培玲1,3(1.中国科学院宁波材料技术与工程研究所 a.中国科学院海洋新材料与应用技术重点实验室 b.浙江省海洋材料与防护技术重点实验室,浙江 宁波 315201;2.上海科技
5、大学 物质科学与技术学院,上海 201210;3.中国科学院大学,北京 100049)摘要:目的目的 对比聚醚醚酮(PEEK)与不锈钢、CrN 涂层、Cr/GLC 多层涂层 3 种配副的大气环境摩擦学行为。方法方法 采用多靶磁控溅射镀膜技术在 174PH 不锈钢基底表面制备 CrN 涂层和 Cr/GLC 多层涂层。采用摩擦磨损试验机和三维轮廓仪对配副摩擦因数和磨损率进行测试,采用扫描电镜、拉曼光谱仪和显微红外光谱仪等方法,表征不同配副摩擦前后的表面物理化学状态,剖析涂层与 PEEK 配副的磨损机理。结果结果 CrN涂层和 Cr/GLC 多层涂层均显著提高了不锈钢基底的摩擦性能,相较于 PEEK
6、 与 17-4PH 不锈钢配副,CrN涂层和 Cr/GLC 多层涂层的摩擦因数都显著降低。此外,涂层的磨损率分别降低了 93.1%、97.4%;对应 PEEK配副的磨损体积也分别降低了 35.1%和 65.8%。在 3 种配副条件下,PEEK 摩擦后均发生了芳香环的开放、取代、交联,以及不同程度的结晶度损失,结晶度的顺序为未磨 PEEKPEEKCr/GLCPEEKCrN PEEK17-4。结论结论 CrN 涂层的硬度、粗糙度较高,且缺少润滑,黏着磨损更显著,PEEK 材料发生了大量转移,转移材料在减轻 PEEK 磨损的同时也阻止了结晶度的降低。PEEK 与 Cr/GLC 多层涂层配副表现出最佳
7、的耐磨损性能,主要归因于摩擦时 PEEK 结晶度的维持及 GLC 中富石墨相赋予涂层的低剪切润滑作用。关键词:硬质涂层;非晶碳;石墨相;聚醚醚酮;摩擦;结晶度 中图分类号:TG115.5+8 文献标识码:A 文章编号:1001-3660(2023)06-246-10 DOI:10.16490/ki.issn.1001-3660.2023.06.021 Comparison of Tribological Behavior of Polyetheretherketone Matched with Different Hard Coatings ZHOU Xiao-hui1,2,SUN Li-li
8、1,JIANG Xian-chun1,CUI Li1,WANG Ai-ying1,3,CUI Ping2,3,KE Pei-ling1,3(1.a.Key Laboratory of Marine Materials and Related Technologies,b.Zhejiang Key Laboratory of Marine Materials and Protective Technologies,Ningbo Institute of Materials Technology and Engineering,Chinese Academy of Sciences,Ningbo
9、315201,China;2.School of Physical Science and Technology,Shanghai Tech University,Shanghai 201210,China;3.University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China)第 52 卷 第 6 期 周小卉,等:聚醚醚酮与不同硬质涂层配副的摩擦学行为对比 247 ABSTRACT:The surface coating technology can improve the friction and wear behavior of
10、the substrate while maintaining its excellent mechanical properties.CrN coating as the representative of hard coating materials with high hardness can effectively resist impact and abrasive wear,and is often used in mechanical bearing shaft,piston pin and other friction protection.Diamond like carbo
11、n(DLC)coating is a kind of metastable material formed by the sp2 and sp3 hybrid of carbon,which has high hardness,wear resistance,chemical inertia and other properties.In particular,graphite-like carbon(GLC)coating,which is dominated by graphite-phase sp2 hybrid bond content,shows better adaptabilit
12、y to multiple environments.In order to carry out the technical optimization of polyetheretherketone(PEEK)matching materials,and solve the problem of easy wear of PEEK material of PEEK-stainless steel friction system,the work aims to compare and investigate the tribological behavior of PEEK matched w
13、ith stainless steel,CrN and Cr/GLC coatings.CrN and Cr/GLC multi-layer coatings were prepared on 17-4PH stainless steel substrate(the size was 17 mm 3 mm)by multi-target magnetron sputtering deposition system.The coating thickness was about 1.8 m and 2 m,respectively.The friction testing machine was
14、 used to test the relationship between COF and time.The matching pair was PEEK ball with a diameter of 6 mm.The coating wear rate was calculated by 3D profilometer.The wear volume of three kinds of matching PEEK balls was calculated according to the volume of the crown.The physical and chemical stat
15、es of the coatings were characterized by SEM,Raman and FTIR,etc.,and the wear mechanism between the coatings and PEEK was analyzed.The results showed that both CrN and Cr/GLC multi-layer coatings could improve the friction properties when they were matched with PEEK.Compared with stainless steel,the
16、 COF of CrN and Cr/GLC coatings reduced significantly.The wear rate of CrN coating and Cr/GLC coating decreased 93.1%and 97.4%.The wear volume for counterpart PEEK decreased by 35.1%and 65.8%,respectively.The aromatic ring opening,replacement,cross-linking,and loss of crystallinity occurred in PEEK
17、surface during sliding process,and the crystallinity was as follows:unworn PEEK PEEK grinding with Cr/GLC PEEK grinding with CrN PEEK grinding with 17-4.When PEEK was against 17-4 PH stainless steel,the micro-convex of the substrate spalled and hard particles were formed,resulting in abrasive wear.P
18、art of the PEEK transferred to the substrate surface and another part of the formation of wear debris piled up on the edge of the grinding crack,caused by wear sharp PEEK surface crystallinity slash and mechanics performance,eventually leading to the decrease of the material abrasion resistance.When
19、 PEEK is matched with CrN coating,because the CrN coating surface is rough and lack of lubrication,it can plough the PEEK surface,which makes the adhesive wear more significant.A large amount of PEEK material transfer occurs and the transfer material can reduce PEEK wear and prevent the decrease of
20、crystallinity.When PEEK is matched with Cr/GLC coating,it is attributed to the good crystallinity stability of PEEK and excellent lubrication of graphite structure in Cr/GLC multi-layer coating.KEY WORDS:hard coating;amorphous carbon;graphite structure;polyetheretherketone;wear;crystallinity 聚醚醚酮(Po
21、lyetheretherketone,PEEK)是一种典型的高性能半结晶聚合物,具有极高的耐热性,良好的化学惰性和韧性,优异的耐磨损性能1,近年来广泛应用于医疗、能源等领域。尤其是聚醚醚酮具有良好的减磨润滑作用,常用于不锈钢摩擦配副系统中,以获得低摩擦因数2。研究者普遍认为,PEEK提高润滑性能的重要作用之一是在钢表面形成了转移膜3-4,并常作为固体润滑剂,用于不锈钢不锈钢摩擦体系中5。由于润滑转移膜的形成常伴随着聚合物材料的磨损,这会导致高密封精密部件的密封性失效,严重影响设备的长寿命可靠运行,因此亟须开展配副材料技术优化,解决 PEEK不锈钢摩擦体系PEEK 材料易磨损的问题。表面涂层技术
22、在保持基体优异的力学性能的同时,可改善其摩擦磨损行为。以 CrN 涂层为代表的硬质涂层材料的硬度(可达 19 GPa)较高,可有效抵抗冲击和磨粒磨损,常被应用于机械轴承、活塞销等摩擦防护领域6。Li 等7研究发现,CrN 涂层在甘油、大豆油等多种油润滑下具有强适应性,能够有效提高不锈钢的摩擦性能。类金刚石(Diamond like carbon,DLC)涂层是一类由碳的 sp2和 sp3杂化形成的一种亚稳态材料,兼具高硬度、耐磨、化学惰性等性能。尤其是以石墨相 sp2杂化键含量占主导的类石墨涂层(Graphite like carbon,GLC),它呈现出更优异的适应多种环境的摩擦性能。Sta
23、llard 等8研究发现,GLC 涂层在空气、油、水 3 种环境中均表现出较低的摩擦因数和磨损率。目前,研究者已经开展了 CrN 涂层和 GLC 涂层与塑料配副的摩擦性能研究。冶艳等9对比了 CrN 涂层与聚酰胺 66(PA66)和丙烯腈丁二烯苯乙烯共聚物(ABS)配副的磨损行为,发现 CrN 涂层提高了钢塑料配副的摩擦性能,并将这种性能的提升归结248 表 面 技 术 2023 年 6 月 为涂层的高硬度和低表面粗糙度。Guan 等10比较了聚醚醚酮(PEEK)、聚酰亚胺(PI)等塑料与 GLC涂层配副的摩擦性能,发现 PEEK 与 GLC 涂层呈现出相对最佳的对偶配副。CrN 涂层、GLC
24、 涂层展现出稳定的减磨作用,使其成为 PEEK 摩擦防护的理想之选。CrN 涂层的耐磨性能通常取决于其本身的高硬度,GLC 涂层的耐磨性与摩擦界面处的转移膜有关,不同涂层与 PEEK 对磨时的界面演变特性将决定PEEK不锈钢摩擦体系的摩擦特性。目前,针对 PEEK材料与 CrN、GLC 涂层之间的摩擦学行为的研究鲜见报道,对于金属、氮化物及具有润滑性能的 GLC,其表面键态结构对 PEEK 转移膜的影响规律尚不明确,适合 PEEK 材料的摩擦配副涂层仍在探索阶段。磁控溅射技术是制备 CrN、GLC 涂层的重要方法之一,利用该技术可以制备出低内应力的 GLC 涂层11。通过高功率脉冲磁控溅射技术
25、(High Power Impulse Magnetron Sputtering,HIPIMS)可实现对 CrN 涂层组分和结构的调控,提高涂层的致密性和均匀性12。基于此,笔者采用多靶磁控溅射镀膜技术分别制备CrN 涂层和 Cr/GLC 多层涂层13,对比研究 174PH不锈钢基底、CrN 涂层、Cr/GLC 多层涂层与 PEEK配副的摩擦学行为,并结合摩擦表面物理化学状态分析,对其机理进行解释,相关结果可为 PEEK对偶配副设计提供实验与理论基础。1 实验 1.1 涂层制备 采用多靶磁控溅射镀膜技术,在尺寸为 17 mm 3 mm 的 174PH 不锈钢基底上分别沉积 CrN 涂层和Cr/
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