在工程涂料领域，聚合物基复合涂层的摩擦学性能优化一直是研究热点。

聚醚醚酮（PEEK）因其出色的机械强度、耐热性和化学稳定性成为高性能涂料的理想基体，但其摩擦系数较高限制了在精密部件中的应用。

聚四氟乙烯（PTFE）作为优异的固体润滑剂，能显著降低摩擦系数，但机械性能较差。

将PTFE引入PEEK基体形成复合涂层，可协同提升涂层的耐磨性和润滑性能，为苛刻工况下的摩擦学应用提供创新解决方案。

提升涂料摩擦学性能对延长机械部件寿命、降低能耗至关重要。在航空航天、汽车制造和能源装备等领域，摩擦磨损是导致材料失效的主要原因之一。

优化后的PEEK/PTFE涂层不仅能减少摩擦损耗，还能在高温、高载等极端条件下保持稳定性能，显著提高设备可靠性和运行效率。

因此，深入研究PEEK/PTFE涂层的摩擦性能提升机制，对推动高性能涂料发展具有重要工程价值。

二、摩擦学性能提升

三、提升的机理

PTFE 和 PEEK 在复合涂层中扮演不同的角色，它们的协同作用是性能提升的关键：

01PTFE 的固体润滑作用 (主导摩擦降低)

低剪切强度：PTFE 分子链间作用力极弱[1]，分子链极易在滑动方向发生相对滑移（分子滑移机理），产生非常低的剪切阻力。这是 PTFE 具有极低摩擦系数的根本原因。

转移膜形成： 在摩擦过程中，PTFE 组分优先被轻微磨损并转移至对偶件（如钢、铝等）表面，形成一层薄而致密的 PTFE 转移膜。

这层转移膜将原本发生在 PEEK 涂层与对偶件金属之间的摩擦，转变为发生在 PTFE 涂层表面与 PTFE 转移膜之间的摩擦。由于 PTFE 自身分子间的滑移阻力极低，这种PTFE-PTFE 接触的摩擦系数远低于 PEEK-金属 或 PEEK-PEEK 接触的摩擦系数。这是摩擦系数大幅下降的最主要原因。

Sifat Ullah等人探究了金属填料（Cr、Ti、Mn）填充的PTFE复合材料与不同金属对偶件（Brass 260和304不锈钢）的摩擦学性能，并与传统PTFE-α-Al₂O₃复合材料进行对比。

结果发现：PTFE-Cr/Brass 260的摩擦系数最低（μ=0.08–0.12），稳态磨损率最低（K=1.4×10⁻⁹ mm³/Nm），比PTFE-α-Al₂O₃/304 SS（K=1.2×10⁻⁷ mm³/Nm）低约100倍，比未填充PTFE低3×10⁵倍。低摩擦高耐磨性能的主要原因是PTFE-Cr/Ti/Mn通过形成稳定的转移膜，将摩擦界面转变为低剪切阻力的PTFE-PTFE接触。此外证明了金属填料促进了转移膜的形成，增强了转移膜与对偶件的结合力，避免了转移膜脱落的问题[2]。

图1 Cr、Ti、Mn填充PTFE复合材料的摩擦学性能[2]

Guan等人探讨了在镍复合模具中共沉积微米级和纳米级PTFE颗粒对模具表面摩擦学性能的影响。

研究结果表明，使用纳米级PTFE颗粒比微米级PTFE颗粒能更显著地改善复合模具的润滑性和摩擦学性能[3]。

如2图所示，Ni-纳米PTFE复合材料的摩擦系数最低，表明纳米级PTFE的加入能够有效降低摩擦系数。

图2 摩擦系数随时间的关系图[3]

02 PEEK 的承载和耐磨骨架作用 (主导磨损减少)

高强度和刚度： PEEK 具有优异的机械强度、刚度和硬度，为复合涂层提供了必要的承载能力，抵抗塑性变形和压入，防止在高载荷下被压溃。

耐磨基体： PEEK 本身具有良好的耐磨性。在复合涂层中，PEEK 构成了涂层的“骨架”或“基体”，承受主要的机械载荷和摩擦剪切力。

保护 PTFE： PEEK 基体将 PTFE 颗粒包裹、固定住，防止 PTFE 在摩擦初期或高载荷下被快速、大量地磨掉，使其能够持续、稳定地提供润滑作用。

Sun等人对比了纯PTFE和25%PEEK/PTFE涂层的磨损性能，结果如图3所示：两种涂层经过相同条件试验后，PEEK/PTFE涂层的磨损量和磨损率都低于纯PTFE涂层[4]。

图3 PTFE和PEEK/PTFE涂层的磨损量和磨损率[4]

03 协同作用机制

PTFE 作为“牺牲润滑相”，通过自身的轻微磨损和转移膜形成，极大地降低了摩擦系数，并保护了 PEEK 基体和对偶件表面免受过度的直接接触磨损。

PEEK 作为“承载保护相”，为 PTFE 提供了稳固的支撑，使其能够持续、有效地发挥作用，防止 PTFE 被一次性磨光或挤出接触区域。

转移膜的稳定性： PEEK 基体的存在有助于稳定形成的 PTFE 转移膜。转移膜能够更牢固地附着在对偶件表面，不易被轻易破坏或清除，保证了低摩擦状态的持久性。

磨损机制转变： 在纯 PEEK 中，磨损可能涉及微观切削、疲劳剥落、塑性变形甚至局部热软化/熔融。而在 PTFE/PEEK 中，由于 PTFE 转移膜的存在，大大减少了 PEEK 基体与对偶件的直接接触和粘着倾向，磨损主要转变为 PTFE 相的缓慢、可控的磨耗（以及少量 PEEK 相的轻微磨损）。这种磨损机制更为温和。

祝博士研究了PTFE含量对PTFE/PEEK涂层摩擦磨损性能的影响，涂层的磨损程度受摩擦系数和材料本身硬度共同影响[5]。

当PTFE含量较低时，摩擦系数为磨损率的主要影响因素，当PTFE含量超过一定量时，因PTFE材料本身强度较低，涂层表面脱落的PTFE磨屑增加，不断形成新的转移膜。

由于转移膜的存在，涂层的摩擦系数不断减小，而涂层的磨损率表现出先减小后增大的趋势。在SEM图中可以发现磨损类型由犁沟型转变为磨粒型[5]。

图4 不同PTFE含量的PTFE/PEEK涂层的摩擦系数和磨损率的变化[5]

图5 不同PTFE含量（0%、5%、10%）的PTFE/PEEK涂层磨损后的SEM图[5]

四、总结

PTFE/PEEK 复合涂层通过将 PTFE 的卓越固体润滑性（低摩擦、易成膜） 与 PEEK 的高强度、高刚度和良好耐磨性 巧妙地结合起来，实现了显著的摩擦学性能提升。

参考文献：

[1] 张林,李玉海.聚四氟乙烯的性能与应用现状[J].科技创新导报,2012.

[2] Sifat Ullah, Faysal M. Haque, Mark A. Sidebottom. Maintaining Low Friction Coefficient and Ultralow Wear in Metal-Filled PTFE Composites[J], Wear, 2022, 498.

[3] Guan T, Gilchrist M D, Fang F, et al. Study on mechanical and tribological properties of electroformed nickel composite mould Co-deposited with nano-sized PTFE Particles [J]. Journal of Materials Research and Technology, 2023, 25: 3688–3703.

[4] Sun W, Chen T, Liu X, et al. Microstructure-armored surface and its tribological effects on ultralow-wear PEEK/PTFE Composites [J]. Polymer, 2024, 291: 126599.

[5] 祝世洋.聚醚醚酮基高性能涂料的制备及性能研究[D].吉林大学,2014.

特别提醒：文章内容仅用于学术前沿研究与探讨，不作为广告或商业用途，数据及观点仅供参考。