涂覆聚醚酮酮（PEKK）聚合物的力学性能、微观结构及摩擦学性能

《Surface and Coatings Technology》：Mechanical properties, microstructure, and tribological performance of coated polyether-ketone-ketone (PEKK) polymer

表面改性技术优化PEKK基材的摩擦磨损性能研究：采用低功率直流反应磁控溅射制备CrN和CrAlN涂层，通过DSC/TGA确认PEKK在525.6℃前保持热稳定性，表面粗糙度降低至0.18μm。摩擦测试显示CrN涂层使摩擦系数下降39%，磨损体积减少78%，其高硬度（8.5GPa）和Cr?O?自润滑层形成机制优于CrAlN。

　　这项研究聚焦于聚醚酮酮（PEKK）材料在经过铬氮化物（CrN）和铬铝合金氮化物（CrAlN）涂层处理后的机械性能、微观结构以及摩擦学表现。研究团队采用低功率直流反应磁控溅射（PVD）技术，在PEKK基材上沉积这些涂层，旨在提升其在极端环境下的耐久性和摩擦性能。PEKK作为一种高性能热塑性材料，因其轻质、化学惰性、良好的电热绝缘性、抗腐蚀性和生物相容性，在汽车、航空航天、生物医学和电子等行业中被广泛应用。然而，这类材料在机械应力或极端环境下通常表现出较差的摩擦学性能，包括高摩擦系数、低耐磨性以及有限的热稳定性，这限制了其在关键应用中的潜力。因此，研究团队通过表面改性技术，如物理气相沉积和化学气相沉积，对PEKK进行了涂层处理，以改善其表面特性，使其更适用于需要高耐久性和低摩擦的组件制造。

在实验过程中，研究团队使用了两种不同的基材：硅片和PEKK。他们对沉积参数进行了优化，确保在沉积过程中基材的温度始终保持在100°C以下，从而避免PEKK因高温而发生热降解。通过热重分析（TGA）和差示扫描量热法（DSC）评估了PEKK的热稳定性，结果显示其玻璃化转变温度为158.0°C，熔点为309.1°C，热分解起始温度为525.6°C，这表明PEKK具有优异的耐高温能力，能够承受低温度涂层工艺带来的影响。这些数据为后续的涂层沉积提供了重要依据，同时也确认了PEKK在高温环境下的结构完整性。

在涂层的微观结构方面，研究团队利用扫描电子显微镜（SEM）和聚焦离子束-SEM（FIB-SEM）对硅片和PEKK基材上的CrN和CrAlN涂层进行了详细分析。结果显示，CrN和CrAlN涂层呈现出密集的柱状结构，其中CrAlN的晶粒更细小，但存在一些微小的界面空隙和裂纹。尽管这些裂纹可能影响涂层的表面完整性，但它们并未对涂层与基材之间的附着力造成显著影响。此外，通过X射线光电子能谱（XPS）和能量色散X射线光谱（EDS）分析，研究团队进一步探讨了涂层的化学组成和摩擦化学产物。CrN涂层表现出较高的氮含量，而CrAlN则因铝的引入而呈现出更复杂的化学组成。这些结果表明，两种涂层在结构和化学性质上均具有良好的均匀性，且未出现明显的裂解或剥离现象。

在硬度和弹性模量方面，研究团队使用深度感应压痕技术（NanoTest）对涂层进行了测试。结果显示，CrN涂层在硅片上的硬度和弹性模量分别为20±2.8 GPa和255±11 GPa，而CrAlN涂层则稍低，分别为16±3.2 GPa和221±32 GPa。然而，当这些涂层应用于PEKK基材时，其硬度和弹性模量显著降低。CrN涂层在PEKK上的硬度为8.5±2.1 GPa，CrAlN为6.9±1.1 GPa，而未涂层的PEKK硬度仅为0.78±0.5 GPa。这一现象可以归因于基材对涂层硬度测量的干扰，以及PEKK作为机械柔性材料对涂层性能的影响。此外，研究团队还通过表面粗糙度测试（使用白光干涉仪Zygo New View 7200）发现，CrN和CrAlN涂层能够有效降低PEKK的表面粗糙度，使其表面更加光滑。这不仅有助于减少摩擦，还可能提升涂层的附着力和整体性能。

在摩擦学性能测试方面，研究团队使用球盘式摩擦试验机（CETR UMT-2）评估了CrN和CrAlN涂层对PEKK的保护效果。测试结果表明，CrN涂层在减少摩擦系数和磨损体积方面表现优于CrAlN。具体而言，CrN涂层将PEKK的摩擦系数降低了39%，而CrAlN则降低了约34%。同时，CrN涂层使PEKK的特定磨损体积减少了78%，而CrAlN仅减少了34%。这些数据表明，CrN涂层在摩擦学性能方面具有显著优势，其高硬度和形成的保护性Cr氧化物层可能是其优异性能的主要原因。相比之下，CrAlN涂层由于铝氧化物的形成，导致摩擦系数相对较高，这可能限制了其在高磨损环境中的应用效果。

研究还通过扫描电子显微镜（SEM）和XPS分析了磨损后的表面形貌和化学变化。结果显示，CrN涂层在磨损过程中形成了薄薄的Cr氧化物层，这层具有较低的摩擦系数和自润滑特性，从而有效减少了摩擦和磨损。然而，CrAlN涂层由于铝氧化物的存在，其摩擦系数相对较高，这可能是其在摩擦学性能上不如CrN的原因之一。此外，研究团队发现，CrN涂层在磨损后表现出更清晰的磨损轨迹，而CrAlN则显示出更多的微裂纹和磨损痕迹，这进一步验证了CrN在耐磨性方面的优势。

总的来说，这项研究为PEKK材料在高摩擦和高磨损环境下的应用提供了重要的数据支持。CrN涂层因其优异的硬度、附着力和摩擦学性能，被认为是增强PEKK耐久性的最佳选择。尽管CrAlN涂层在某些方面表现出一定的优势，如更细的晶粒结构和部分热稳定性，但其较高的摩擦系数和耐磨性不足使其在实际应用中受到一定限制。因此，研究团队建议未来的工作应进一步探索如何优化涂层与基材之间的界面性能，以及如何在更高负载和更复杂环境下提升涂层的摩擦学表现。此外，验证这些涂层在实际工程应用中的性能，如用于制造聚合物齿轮或其他高要求组件，将是未来研究的重要方向。