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與金屬齒輪相比，塑料齒輪具有質量輕、運行噪音小、耐磨性好、自潤滑性能好、耐腐蝕等諸多優點，而且具有易成型、制造成本低、設計靈活等特點。可用于齒輪的塑料有PE、PP、PVC、PS以及PA、POM、PC、PPS、PEEK等等。本文主要關注PEEK復合材料用于齒輪的研究。

 

 

PEEK齒輪  圖源：君華特塑

 

高分子復合材料作為齒輪副時，有潛力克服油潤滑金屬齒輪在高速工況下所面臨的問題，具有諸多優點。

 

首先，由于高分子材料的彈性模量比金屬材質小，因此能夠減小輪齒嚙合沖擊，改變共振頻率，進而為齒輪副帶來更優異的振動噪聲性能。

 

其次，利用復合材料的自潤滑特性，能夠避免潤滑油的使用，進而防止因齒輪攪動潤滑油引發的“攪油功率損失”，進而提高系統的功率傳遞效率。

 

最后，由于復合材料相比金屬具備較高的比強度，使得復合材料齒輪具有更小的質量以及轉動慣量，能夠在頻繁啟停的工況下提高響應速度并減小加速度負荷。并且，由于熱塑性聚合物齒輪能夠通過擠出注塑制備，可以顯著降低齒輪生產成本的同時提高大批量生產的效率。

 

相比金屬齒輪，由于復合材料齒輪加工方法的特點以及多樣性（例如注塑、熱壓燒結等），可以避免傳統金屬齒輪加工方法所帶來的問題（例如齒輪齒數過少引發根切等）。得益于注塑加工工藝，復合材料齒輪的齒形參數設計相比金屬齒輪能夠獲得更大的靈活性。

 

 

注塑工藝制備的PEEK齒輪實物圖

 

另外，由于不存在滾齒工藝限制，注塑加工的復合材料齒形設計能夠直接根據應力場分布而取得最優的齒根形狀，從而最大程度地避免應力集中所引起的失效，進一步提升齒輪性能。

 

然而，復合材料與金屬完全不同的材質特性也導致了復合材料齒輪與金屬齒輪不同的失效形式。除了傳統金屬齒輪的齒根斷裂與齒面接觸疲勞失效，復合材料齒輪更多面臨著磨損失效以及較高接觸溫度引發的熱失效。

 

Zorko等人研究了PEEK-金屬齒輪副在干摩擦與脂潤滑條件下的使用性能。結果表明，在中輕載條件下，PEEK齒輪的輪齒磨損是其主要的失效形式,其中主要的磨損機理具體包括：磨粒磨損、粘著磨損以及熱失效。

 

PEEK齒輪在中等載荷條件下的磨損失效形式

 

并且，隨著實驗里程的增長，輪齒的磨損會進一步引發接觸齒形的變化，從而進一步加劇了齒輪副工作性能的惡化。Lu等人探究了不同載荷條件下PEEK齒輪與金屬齒輪嚙合傳動時的性能表現，結果表明：在輕載條件下,PEEK齒輪在節圓位置處的點蝕最終會導致復合材料齒輪在節圓位置處發生疲勞斷裂失效；在重載條件下則會直接引發復合材料輪齒在根部位置的斷裂。

 

PEEK齒輪在中等載荷（a）以及重載荷（b）條件下的失效形式

 

VDI-2736是當前唯一專用于塑料齒輪設計計算的指導標準，其在考慮其機械性能的基礎上，也提供了磨損率校核與接觸溫度的設計校核方法。可見，由于材料特性與金屬完全不同，復合材料齒輪的失效形式與金屬齒輪也有顯著差異。復合材料齒輪在保證其機械強度的前提下，改善其摩擦磨損性能是亟需解決的問題。

 

PEEK耐磨復合材料研究

 

特種工程塑料聚醚醚酮（PEEK），因其優異的機械性能、耐高溫、耐腐蝕性能，被廣泛用于航天航空、汽車、核工業等領域。純PEEK雖然是一種機械性能優異的特種工程塑料，但其以純料形式作為摩擦部件使用時卻很難滿足復雜的摩擦工況需求。這是因為純PEEK的摩擦轉移膜生成能力較差，只能形成斑點狀、覆蓋率較低、附著力差的轉移膜，使其往往具備較高的摩擦系數（約為0.4）與較大的磨損率（約10-4mm3/Nm）。

 

目前常被用來提升PEEK材料摩擦磨損性能的方法主要是熔融共混法。該方法通過熔融共混的方式在PEEK基體中添加不同類型的添加劑例如微米添加劑（如ZnS、TiO2和短切碳纖維）、納米顆粒（如SiO2、CuO和ZrO2）固體潤滑劑（如PTFE、石墨和MoS2）以改善PEEK復合材料的摩擦磨損性能。

 

填料的加入可以有效地增強PEEK復合材料的摩擦轉移膜生成能力，特別是在大載荷條件下，會使得其所形成的摩擦膜的均勻性得到顯著提高。

 

PEEK/SCF

 

Flock等人發現在PEEK基體中添加10%的微米級短切碳纖維能夠令其磨損率降低超過一個數量級。

 

PEEK/ZrO2

 

Guo等人利用環-塊測試裝置探究了不同納米粒子在不同載荷速度條件下對PEEK復合材料的摩擦性能影響，結果表明在300N載荷1m/s對磨速度工況條件下，ZrO2/PEEK復合材料的磨損率能夠降至低于10-6mm3/Nm。這說明納米顆粒有潛力提高PEEK在高速工況下的摩擦學性能。

 

PEEK/PTFE

 

近十年來，科研人員致力于研究固體潤滑劑聚四氟乙烯（PTFE）對PEEK摩擦學性能改善的作用。Burris等演講表明在特定的測試工況下PEEK/PTFE的摩擦系數不僅比PEEK低，甚至還會小于固體潤滑劑PTFE單獨作用時的摩擦系數。并且，PEEK/PTFE復合材料的磨損率相比純料PEEK得到了超過兩個數量級的降低。磨損面分析顯示這是因為帶狀的PTFE會覆蓋在PEEK的裸露磨損表面上以形成潤滑性能良好的保護層，從而改善了復合材料總體的摩擦學性能。

 

 

PEEK-PTFE/brass協同減磨自潤滑滑動軸承實物圖

 

Bijwe等人則利用低振幅振蕩磨損探究了PEEK/PTFE復合材料在低速重載工況條件下（700N，0.05m/s）的摩擦磨損性能。結果表明PEEK/PTFE復合材料在低速重載條件下的磨損率能夠降低至1×10-7mm3/Nm以下，同時將其摩擦系數降低至0.05以下。

 

PEEK/SCF/納米粒子/石墨

 

為了進一步提升PEEK復合材料的綜合性能，同時在基體中添加多種不同類型添加劑的多元改性方法成為近年的研究熱點。例如Lin通過添加SCF,納米粒子和石墨共同改性PEEK。結果顯示在8MPa-4m/s的對磨條件下，多元混合法能夠將復合材料的摩擦系數能降低至0.06,此時對應的磨損率為4.2×10-7mm3/Nm。

 

PEEK/石墨/氮化硼/玻璃纖維

 

Pandaa等則通過在PEEK基體中同時引入石墨、氮化硼與玻璃纖維形成多元改性PEEK復合材料。其研究結果表明，在高速重載（900N,2.5m/s）條件下復合材料的摩擦系數能夠降至0.045，其磨損率則能夠降低至4.0×10-7mm3/Nm。

 

各協同摩擦工況條件下的純PEEK試樣銷磨損表面形貌圖

 

雖然通過與具備自潤滑能力的固體潤滑添加劑熔融共混能夠提升PEEK復合材料的摩擦學性能，但是該方法同時也會引發其他問題。

 

表1 PEEK/PTFE復合材料的機械性能與PTFE添加量的關系

 

如表1所示，PEEK/PTFE復合材料的機械性能會隨著PTFE含量的增加而逐漸降低。當PTFE的添加量達到30%時，PEEK/PTFE復合材料的彎曲強度會從139MPa降低至92.62MPa。這說明與機械強度較差的PTFE固體潤滑劑混合雖然能夠改善PEEK的摩擦磨損性能，卻也會損害PEEK原本優異的機械性能。

 

另一方面，與添加劑顆粒混合之后，PEEK復合材料的熔融體粘度也會顯著增大,這增大了注塑加工過程的工藝難度，削弱了純PEEK優異的加工性能。Lu等人的研究表明，當PEEK/PTFE復合材料中PTFE的含量超過40%體積分數時，由于復合材料熔融體的流動粘度過高，無法再使用注塑工藝加工制備復合材料樣品，只能采用熱壓法代替注塑成型方法對樣件進行加工。這無疑會大幅削弱熱塑性復合材料由注塑加工工藝帶來的低成本優勢，限制了其進一步應用。

 

綜上所述，盡管與固體潤滑劑填料熔融共混能夠使得PEEK的摩擦磨損性能得到顯著的改善，但在PEEK基體中加入固體潤滑劑填料也可能會引發復合材料機械性能下降、注塑加工性能削弱等問題。當PEEK復合材料作為齒輪部件使用時，其機械性能的降低意味著齒輪承載能力的降低，這限制了熔融共混法在齒輪中的進一步應用。

 

PTFE固體潤滑復合材料研究

 

與PEEK不同，聚四氟乙烯(PTFE)是一種自潤滑性能優異的高分子材料，常常被用作固體潤滑劑使用。PTFE及其復合材料因其優異的耐化學性、高熔點和低摩擦系數而被廣泛應用于不同的應用領域，如密封件和軸承等。

 

 

PTFE復合材料密封圈

 

PTFE復合材料具有優異的摩擦轉移膜生成能力且摩擦系數很低。但是當它以純料形式單獨使用時，存在磨損嚴重的問題。國內外的研究者基于熱壓燒結的工藝，常通過在PTFE基體中添加不同類型的填料顆粒（如MoS2、青銅、石墨和Al2O3）以進一步改善PTFE的轉移膜生成能力和摩擦磨損性能。

 

關于添加劑顆粒對PTFE復合材料減磨效應的作用機理，許多研究工作提出了不同的假說。一方面，在PTFE基體中的添加劑顆粒可以阻斷裂紋在基體內的傳播，避免大規模碎屑的產生，從而減輕PTFE基體的磨損。另一方面，由于強度較好的添加劑顆粒在磨損表面上能夠起到優先承擔載荷的作用，進而保護較軟的PTFE基材免受對磨面的直接刮擦，最終提高PTFE復合材料的耐磨性。

 

綜上，填料對PTFE復合材料摩擦磨損性能的改善是一個復雜的系統行為，不僅涉及到微觀的力學作用機理，還涉及到摩擦化學等反應。

 

摩擦轉移膜研究

 

復合材料-金屬摩擦系統中，在各個對磨表面形成的均勻而牢固的“摩擦轉移膜”（tribofilm）對提升高分子復合材料的摩擦磨損性能起到重要作用。摩擦轉移膜包括在金屬對磨面上形成的轉移膜（transferfilm）以及在復合材料磨損表面形成的跑合摩擦膜（runningfilm）。

 

 

PTFE/bronze復合材料在金屬表面形成的摩擦轉移膜

 

 

復合材料在自身磨損表面形成的跑合摩擦膜

 

它們能夠通過將金屬與復合材料之間的直接接觸對磨轉換為摩擦轉移膜之間的相對滑動，從而緩解復合材料的磨損。

 

“摩擦轉移膜”的質量與許多因素有關。如復合材料基體的材料特性、填料特性及添加量、載荷條件等等都會對摩擦系統所生成的摩擦轉移膜質量產生影響。

 

Bahadur等人探討了填充有不同類型銅基化合物顆粒的尼龍復合材料的摩擦磨損性能，驗證了填料特性對摩擦轉移膜質量的重要影響。結果表明，CuS、CuF2和CuO添加劑顆粒的存在有利于摩擦轉移膜的形成，是降低復合材料磨損率的合適填料。相反，醋酸銅卻由于形成摩擦轉移膜的能力差，反而加劇了尼龍復合材料的磨損。

 

Sun等人網探究了添加有不同尺寸的a相氧化鋁以及y相氧化鋁的PTFE復合材料的摩擦磨損性能。結果表明，納米級的α相氧化鋁顆粒和微米級的γ相氧化鋁顆粒有利于PTFE復合材料在金屬對磨表面上形成質量優異的轉移膜，而微米級的α相氧化鋁和納米級的γ相氧化鋁卻會阻礙摩擦轉移膜的生成。該結果表明添加劑顆粒尺寸及其特性共同決定了對磨過程中發生的摩擦化學反應，進而影響了摩擦轉移膜的生成。

 

高分子復合材料的磨損性能與轉移膜的質量有密切聯系。在磨損面上誘發生成具有薄、連續、均勻等特性的轉移膜與獲得復合材料優異的摩擦磨損性能間有較強的相關性。研究人員對摩擦轉移膜的生成機理提出了各種假設，現今普遍認為摩擦轉移膜是通過對磨過程中在復合材料磨屑上誘發的機械剪切、接觸溫度場和摩擦化學反應的耦合作用形成的。

 

Ye等人的研究證明，增加對磨面微觀表面輪廓的凸峰高度可抑制摩擦轉移膜的形成，而相交的波谷和光滑的微凸峰則有助于穩定磨屑，進而促進轉移膜的生成。

 

近期，Son等人研究了PEEK與金屬對磨面在干滑動摩擦條件下的摩擦轉移膜特征。他們的研究結果表明，機械剪切行為、摩擦熱和摩擦等離子體都有助于PEEK摩擦轉移膜的形成。

 

綜上，在摩擦轉移膜生成之后，高質量的轉移膜作為摩擦系統中的第三體，可以使金屬對磨面更加平滑，并形成一個低剪切力的界面，最終減輕其引發的摩擦強度；此外，它們還可以減少滑動表面之間的直接接觸，進而達到減磨的效果。

 

多部件摩擦系統研究

 

除了利用上述熔融共混法來改善高分子材料的摩擦學性能之外，近五年來有研究人員探究通過機械組裝不同成分的復合材料，并使二者在同一金屬對磨面上共同滑動,從而改善復合材料摩擦學性能的新方法。

 

Li等人通過機械組裝一種填充短切碳纖維（SCF）的PEEK復合材料和一種填充納米SiO2顆粒的PEEK復合材料,研究了組裝PEEK復合材料的耐磨性。

 

 

通過機械組裝PEEK復合材料的減磨方案示意圖

 

他們的研究結果表明，與單獨使用這兩種復合材料時相比，這種機械組裝后的復合材料樣品表現出更優異的摩擦學性能。獲得性能提升的原因被認為是通過這兩種復合材料各自釋放到滑道中的磨屑在金屬對磨表面共同作用從而形成了高質量的摩擦轉移膜。

 

協同減磨復合材料滑動軸承實驗機

 

Lin和Schlarb的工作介紹了一種將兩種具有不同成分的PEEK復合材料（PEEK/SCF/石墨和PEEK/ZnS/TiO2）通過膠粘結合在一起而制成的“三明治”層狀復合材料材料。

 

通過膠粘得到的PEEK多層復合材料方案示意圖

 

該工作通過環-塊摩擦副探究了該層狀PEEK復合材料的摩擦學性能。結果表明：隨著摩擦實驗的進行，當夾心層參與到對磨過程中時，會將PEEK/SCF/TiO2復合材料中的納米顆粒釋放到磨損軌跡上，從而使PEEK/SCF/石墨復合材料的摩擦學性能得到顯著提高。這是由于釋放的納米顆粒有助于通過摩擦燒結反應在金屬對磨表面生成具有高承載能力的摩擦轉移膜。

 

最近，研究人員研究了通過熔融沉積方法制造的碳纖維(CF)增強PEEK復合材料的摩擦學性能，并通過在金屬滑道上設置獨立PEEK/SiO2試樣的方法以改善其摩擦磨損性能。結果表明，單獨在滑動界面上加入的納米顆粒可以降低PEEK/CF復合材料的摩擦系數，改善其摩擦性能。

 

然而，目前對于這種通過組裝不同復合材料，令其共同工作以改善復合材料摩擦磨損性能的方法僅限于初步評價添加了不同添加劑的同種基材復合材料之間的相互作用，有很大的局限性。另一方面，由于缺乏適用于探究多部件共同工作工況的實驗手段，研究人員對不同種類復合材料之間共同工作所產生的效果認識還不夠全面，亟待深入研究。

 

綜上，金屬齒輪在一些領域存在攪油功率損失大、振動噪聲性能惡化以及齒面潤滑油承受離心力大等問題。自潤滑高分子復合材料由于其材料特性，有潛力克服上述問題并替代金屬應用于齒輪、軸承等部件。制約復合材料在電驅動系統中應用性能的關鍵因素是其摩擦磨損性能。當前提升高分子復合材料摩擦學性能的研究仍存在一些亟待解決的問題：

 

（1）利用傳統的熔融共混方法改善PEEK的摩擦學性能時，可能會損傷PEEK材質原本優異的機械性能與可加工性能。

（2）由于高分子復合材料的各項性能相比金屬對溫度更加敏感，評估摩擦接觸溫度對設計及評價復合材料摩擦系統有著重要作用。

（3）復合材料協同減磨方法尚且缺乏系統深入的研究。在開展協同摩擦系統設計時，會面臨諸如載荷條件如何選取、配方如何設計以及金屬對磨面粗糙度與加工方法如何選用等諸多問題。

（4）將復合材料協同減磨方法應用于齒輪以及軸承部件使用時,能否有效提升其功率傳遞效率與使用壽命亟待系統分析探究。