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慧正資訊：耐磨導(dǎo)電需求領(lǐng)域大多使用電鍍、涂層表面改性銅基材料、銅–碳復(fù)合材料、陶瓷增強(qiáng)銅基復(fù)合材料、銅合金金屬材料等作為耐磨導(dǎo)電材料。隨著航空航天、軌道交通走向高速化發(fā)展，特別是高速鐵路等的出現(xiàn)，對(duì)耐磨導(dǎo)電材料的摩擦磨損性、導(dǎo)電性、輕量化、壽命和經(jīng)濟(jì)性提出了更高的要求。因此研究一種新型高分子基耐磨導(dǎo)電復(fù)合材料具有重要的意義。
目前制作的受電弓滑板的材料主要有碳纖維(CF)復(fù)合材料滑板，碳金屬纖維復(fù)合材料滑板，碳–銅復(fù)合材料滑板以及鈦硅系陶瓷材料滑板。優(yōu)質(zhì)的滑板材料應(yīng)集中其優(yōu)異的導(dǎo)電性、耐磨性、耐候性和足夠的耐沖擊性等性能為一體。高鐵受電弓滑板一直采用國(guó)外的浸金屬碳滑板，但存在耐沖擊性能差、出現(xiàn)掉塊現(xiàn)象、需經(jīng)常更換等問題。樹脂基復(fù)合材料其性能可控性好，成型工藝簡(jiǎn)單，經(jīng)改性研究做理想滑板材料具有很大的潛力。Zhou Feng等運(yùn)用熔滲反應(yīng)燒結(jié)技術(shù)制備了一種兼具陶瓷與金屬性質(zhì)的Ti3SiC2／TiC新型受電弓滑板材料，該材料電阻率、自潤(rùn)滑減摩性及生產(chǎn)工藝等優(yōu)于碳系滑板材料。Yuan Hua等采用改性酚醛樹脂，以CF,銅和石墨分別為增強(qiáng)相，導(dǎo)電相和潤(rùn)滑相通過熱壓工藝制備復(fù)合材料，隨著CF含量的增加其沖擊強(qiáng)度、密度和電阻率降低，體積磨耗和摩擦系數(shù)先減小后急劇增加。李金羽等通過冷壓–燒結(jié)制備了電解銅粉填充改性聚四氟乙烯(PTFE)基導(dǎo)電均質(zhì)復(fù)合材料，隨著銅粉含量的增加，復(fù)合材料內(nèi)部形成連續(xù)的導(dǎo)電織網(wǎng)，表現(xiàn)出良好的導(dǎo)電性。PEEK相比PTFE密度輕、耐沖擊強(qiáng)度高、耐候性好、耐磨性好、綜合力學(xué)性能優(yōu)異，可用較簡(jiǎn)單的模壓成型工藝成型。
太原理工大學(xué)采用性能優(yōu)異的PEEK高分子材料和導(dǎo)電性能優(yōu)異的電解銅粉及具有優(yōu)異摩擦性能的CF制備一種新型材料，其兼具耐磨性、導(dǎo)電性、質(zhì)輕等性能。對(duì)其復(fù)合材料的組分、制備工藝以及摩擦性能、導(dǎo)電性能、外觀形貌等進(jìn)行研究，以期研制一種PEEK基新型導(dǎo)電耐磨材料，為PEEK在耐磨導(dǎo)電、耐磨屏蔽領(lǐng)域應(yīng)用提供依據(jù)。
1 試樣制備
考慮到PEEK和電解銅粉的原料狀態(tài)和性能，確定采用類似粉末冶金的成型工藝制備該復(fù)合材料。
實(shí)驗(yàn)前對(duì)PEEK粉末進(jìn)行預(yù)處理，首先對(duì)PEEK粉末進(jìn)行過篩，使團(tuán)聚的PEEK分散開，再放入干燥箱中進(jìn)行干燥，設(shè)定溫度為110℃，時(shí)間設(shè)定為4 h,然后進(jìn)行密封包裝以實(shí)驗(yàn)備用。電解銅粉，粒徑48 μm,純度高，規(guī)格好，外觀呈均勻淺玫瑰紅色，微觀形貌為樹枝狀，復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)和相對(duì)較大的表面粗糙度使其具有更大的比表面積，特殊的樹枝狀結(jié)構(gòu)使銅粉顆粒間彼此接觸數(shù)目明顯增加，填充該銅粉可以最大限度地提高材料導(dǎo)電性。CF與PEEK有較好的親和性，但CF易團(tuán)聚，實(shí)驗(yàn)前對(duì)CF進(jìn)行預(yù)處理，以便其在復(fù)合材料中均勻分布。實(shí)驗(yàn)前用鈦酸酯偶聯(lián)劑對(duì)電解銅粉進(jìn)行表面處理以改善其與PEEK的界面親和力，然后干燥，密封保存以備用。
將處理過的密封保存的PEEK,電解銅粉、CF進(jìn)行稱重，并按一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)行配比，配方見表1.
將按表1的配方配制的原料，加入球磨罐中然后夾持在行星式球磨機(jī)上，設(shè)定混合時(shí)間為12 h,保證各組分材料充分混合均勻。將混合好的配料放入壓片機(jī)模具中然后放置在手動(dòng)式液壓制樣機(jī)進(jìn)行壓件，壓件時(shí)設(shè)置壓力為30 MPa,然后保壓2 h,制成?40 mm×15 mm的樣件。將樣件放入到自制燒結(jié)模具中，將其放入快速升溫電阻爐中進(jìn)行燒結(jié)，通過試驗(yàn)和DSC分析確定燒結(jié)溫度設(shè)定為310℃。對(duì)燒結(jié)完樣件進(jìn)行切割、拋光成不同的規(guī)格，備用。
2 摩擦磨損性能
在鋼球?qū)δ?shí)驗(yàn)過程中考察了PEEK／Cu,PEEK／Cu／CF復(fù)合材料的摩擦系數(shù)。可以看出在摩擦的前15 min,對(duì)磨鋼球與復(fù)合材料表面由點(diǎn)面接觸到面面接觸的過程中摩擦系數(shù)逐漸增大；隨著摩擦?xí)r間的增加，由復(fù)合材料的摩擦系數(shù)變化波動(dòng)可以看出，對(duì)于PEEK／Cu及PEEK／Cu／CF復(fù)合材料，適量的電解銅粉可以改善復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能，減小磨損過程中摩擦熱對(duì)摩擦系數(shù)的影響。
考察了不同電解銅粉含量的PEEK／Cu,PEEK／Cu／CF復(fù)合材料的摩擦系數(shù)及磨損量。可知，PEEK／Cu復(fù)合材料隨著電解銅粉含量的增加，其磨損量與摩擦系數(shù)的變化趨勢(shì)一致；當(dāng)電解銅粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%時(shí)，PEEK／Cu復(fù)合材料的摩擦系數(shù)最低，發(fā)生的磨損損失的體積最小，表現(xiàn)出良好的摩擦磨損性能。PEEK／Cu／CF復(fù)合材料中隨著電解銅粉含量的增加其摩擦系數(shù)先減小再上升最后減小至穩(wěn)定，磨損量先增大再減小，當(dāng)電解銅粉含量為50%時(shí)，PEEK／Cu／CF復(fù)合材料磨損量最大。當(dāng)電解銅粉的含量達(dá)到一定值時(shí)，復(fù)合材料中CF的填充降低了PEEK／Cu復(fù)合材料的摩擦系數(shù)，同時(shí)也降低了PEEK／Cu的磨損量，使復(fù)合材料表現(xiàn)出很好的摩擦磨損性。當(dāng)電解銅粉的含量較低時(shí)，填充CF增加了PEEK／Cu／CF復(fù)合材料的摩擦系數(shù)但減小了復(fù)合材料的磨損量。
3 導(dǎo)電性能
研究了不同電解銅粉含量的PEEK／Cu,PEEK／Cu／CF復(fù)合材料的體積電阻率。通過對(duì)比PEEK／Cu,PEEK／Cu／CF復(fù)合材料的體積電阻率隨電解銅粉含量變化可以看出，當(dāng)電解銅粉的含量小于50%時(shí)，CF的加入降低了該復(fù)合材料的體積電阻率，明顯增強(qiáng)了PEEK／Cu復(fù)合材料的導(dǎo)電性。這是由于CF具有良好的導(dǎo)電性，大的長(zhǎng)徑比，CF的填充，使復(fù)合材料內(nèi)部形成了密集的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)電解銅粉含量大于50%時(shí)，電解銅粉含量的增加，PEEK／Cu／CF復(fù)合材料的體積電阻率比PEEK／Cu復(fù)合材料的電阻率大，CF的填充反而降低了其復(fù)合材料的導(dǎo)電性。
4 微觀結(jié)構(gòu)表征
下圖為PEEK基復(fù)合材料的表面形貌圖。由形貌結(jié)構(gòu)深淺差異可知，隨著導(dǎo)電材料含量的增加，PEEK／Cu,PEEK／Cu／CF中導(dǎo)電填充物彼此接觸，貫通相連，顆粒之間緊密相接，復(fù)合材料中形成連續(xù)的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)橋梁從而表現(xiàn)出良好的導(dǎo)電性；CF在PEEK／Cu／CF復(fù)合材料內(nèi)發(fā)生團(tuán)聚，CF易團(tuán)聚且具有較大的長(zhǎng)徑比與比表面積使材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)出現(xiàn)空隙，導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)不緊密，從而導(dǎo)致當(dāng)電解銅粉的含量達(dá)到50%時(shí)，PEEK／Cu／CF復(fù)合材料的體積電阻率比PEEK／Cu復(fù)合材料的體積電阻率大。根據(jù)滲流理論，當(dāng)填充顆粒達(dá)到一定值時(shí)復(fù)合材料中的填充粒子彼此接觸形成穩(wěn)定的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，復(fù)合材料的體積電阻率將發(fā)生急劇變化，表現(xiàn)出良好的電學(xué)性能。圖中顯示了隨著電解銅粉含量增加，復(fù)合材料內(nèi)部電解銅粉粒子彼此接觸，足夠形成穩(wěn)定緊密的導(dǎo)電織網(wǎng)，使絕緣的高分子材料改性成為導(dǎo)體，符合滲流理論導(dǎo)電機(jī)理。
5 結(jié)論
采用冷壓–燒結(jié)–冷卻成型工藝制備PEEK／Cu,PEEK／Cu／CF復(fù)合材料，通過對(duì)復(fù)合材料的摩擦學(xué)、電學(xué)性能的測(cè)試，當(dāng)電解銅粉含量為55%時(shí)，PEEK／Cu／CF復(fù)合材料既有良好的摩擦磨損性能又有良好的導(dǎo)電性能。
該P(yáng)EEK基復(fù)合材料可以作為新型高耐磨導(dǎo)電受電弓滑板復(fù)合材料。
國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51341006)，山西省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（2013011024-1），太原理工大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目 （SD18200009）
該文摘自扶肖肖，宋桂珍，郭曉君，等所寫 PEEK基耐磨導(dǎo)電復(fù)合材料一文，刊登于工程塑料應(yīng)用2020年第2期的1–5頁
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