Page 55 - 摩擦学学报2025年第8期
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第 8 期                     阮俊飞, 等: 3D打印SCF/PEI/PEEK复合材料的摩擦学性能                                1153


                             [11]
            的形成    [8-10] . 胡婕等 研究表明，添加30% (质量分数)                  表 1    SCF/PEI/PEEK复合材料的组成(质量分数)
            的SCF能够显著提高PEEK的摩擦学性能. Davim等                [12]          Table 1    Composition of SCF/PEI/PEEK
                                                                          composites (mass fraction/%)
            比较了碳纤维(CF)和玻璃纤维(GF)对PEEK复合材料
                                                                    Composites      SCF      PEI      PEEK
            在干摩擦条件下摩擦学性能的影响，结果表明，2种纤                               30PEI/70PEEK      0       30.0     70.0
            维均能显著提高聚合物基体的减摩抗磨性能，但CF的                               3SCF/PEI/PEEK     3       29.1     67.9
                                                                   5SCF/PEI/PEEK     5       28.5     66.5
            减摩抗磨性能优于GF，并且CF/PEEK复合材料在摩擦
                                                                  10SCF/PEI/PEEK    10       27.0     63.0
            过程中的表面温度升高明显慢于GF/PEEK复合材料.                            15SCF/PEI/PEEK    15       25.5     59.5
            磨损表面形貌分析则表明，在GF/PEEK复合材料的摩
            擦表面存在平行于滑动方向的犁沟，这是造成其磨损                                           表 2    打印参数设置
                                          [13]
            率较高的重要原因. Diouf-Lewis等 研究表明，在3D                              Table 2    Print parameter settings
            打印CF-PEEK/PEI中，CF在PEEK/PEI共混物中分散                             Parameters            Specifications
                                                                       Nozzle diameter           0.4 mm
            良好，并且与共混物基体具有良好的黏附性. 拉伸试
                                                                      Nozzle temperature         410 ℃
            验表明，与PEEK/PEI材料相比，CF的加入可显著提高                            Temperature of the cavity    90 ℃
            复合材料的杨氏模量.                                               Base plate temperature      120 ℃
                                                                      Print layer thickness      0.2 mm
                本研究中以PEEK和PEI为基体材料，以熔融沉积
                                                                        Filling angle            90°/90°
            成型(FDM)为材料制备手段，以SCF为功能填料，制备                                 Filling density          100%
                                                                        Filler pattern         Straightness
            了SCF/PEI/PEEK复合材料，研究了SCF对PEI/PEEK复
                                                                        Print direction         Z-direction
            合材料的热学性能、力学性能及其摩擦学性能的影
            响，旨在为高温环境中服役的PEEK基复合摩擦副材                           丝材在3D打印机(MAGIC-HT-L)上进行打印，3D打印
            料的设计制备提供理论和技术指导.
                                                               工艺参数列于表2中.


                                                               1.3    SCF/PEI/PEEK复合材料的热学性能测试
            1    试验部分
                                                                   采用DSC差示扫描量热仪(DSC Q200，美国)对样
            1.1    试验材料                                        品的热学性能进行表征，测试过程为将8~9 mg样品置
                聚醚醚酮(PEEK)购于吉林省中研高分子材料股                        于坩埚中，采用氮气保护，氮气流速为50 mL/min，以
            份有限公司PEEK550PF，平均粒径为200目；聚醚酰亚                      10 ℃/min的升温速率从20 ℃升温到400 ℃，然后以
            胺(PEI)购于美国沙伯基础Ultem PEI 1010 (粉碎处理                 10 ℃/min的速率降温至20 ℃. DSC曲线可以得到复合材
            后过筛粒径均大于35目)；短切碳纤维(SCF)购于南京纬                       料的玻璃化转变温度、结晶度和熔融温度等热学性能，
            达复合材料有限公司WD-100，平均尺寸为100~150 μm.                   其中100%聚醚醚酮晶体的熔融焓(ΔH )为130 J/g .
                                                                                                          [14]
                                                                                                 θ

            1.2    SCF/PEI/PEEK复合材料的制备                         复合材料热重(TG)测试(NATZSCH，德国)，将3~7 mg
                SCF/PEI/PEEK复合材料的制备过程：首先分别称                    样品置于坩埚中，采用氮气保护，氮气流速为50 mL/min，
            取不同比例的SCF、PEI和PEEK，将3种材料置于多功                       40 ℃下稳定20 min，接着以10 ℃/min的速率进行升温，
            能粉碎机中进行机械混合，得到含有不同比例的                              从40 ℃升温至800 ℃，然后降温到40 ℃以下.

            SCF混合粉末. 随后将混合粉末置于烘箱中，在130 ℃                       1.4    SCF/PEI/PEEK复合材料的力学性能测试
            下烘干12 h，去除水分. 随后将共混料置于双螺杆挤出                            力学性能采用万能力学试验机(DF-7 000-MUGP)
            机(SJZS-10B，武汉瑞鸣)，其工艺参数设置为一区310 ℃，                  进行测试. 拉伸性能的测试速度为1 mm/min，每组测
            二区370 ℃，三区360 ℃，机头温度为355 ℃，主轴转                     试5个样品，取其平均值作为最后的结果. 弯曲性能测
            速为10 r/min，进料口转速为20 r/min，丝材牵引力为                   试采用三点式弯曲测试方法，测试跨距为64 mm，测
            2.5 N，采用风冷，保证挤出的丝材直径为1.75±0.05 mm，                 试速度为2 mm/min，施加的载荷垂直于样品表面，每

            进而得到含有不同比例SCF的复合材料打印丝材. SCF/                       组测试5个样品，并取其平均值作为最后的测试结果.

            PEI/PEEK复合材料的名称和具体组分列于表1中. 熔                       1.5    SCF/PEI/PEEK复合材料的摩擦学性能测试
            融沉积3D打印之前，先将不同比例的复合材料丝材置                               本文中摩擦学性能测试在高速环块摩擦磨损试
            于130 ℃的烘箱中烘干6 h，待温度冷却至室温，取出                        验机(MRH-1A)上进行，摩擦接触模式如图1所示. 测
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