摘要：工程热塑性塑料因具备高比强度、耐化学性和耐用性等优势，在汽车、航空航天、电子及医疗设备等多个行业中应用广泛。不过，其摩擦学性能对环境温度较为敏感，这一情况限制了它们在温差较大场景下的应用。

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一、研究背景与意义

工程热塑性塑料因具备高比强度、耐化学性和耐用性等优势，在汽车、航空航天、电子及医疗设备等多个行业中应用广泛。不过，其摩擦学性能对环境温度较为敏感，这一情况限制了它们在温差较大场景下的应用。

本研究针对脂族聚酮（APK）、聚对苯二甲酸丁二醇酯（PBT）和聚碳酸酯（PC）三种材料，探究不同环境温度对其划痕和磨损性能的影响，并结合动态力学性能展开分析，目标是拓展这些材料在温差应用中的适用范围，提升它们的耐用性和使用寿命。

二、实验部分：材料与方法

（一）材料选择

本研究选取了三种化学和机械性能差异显著的工程热塑性塑料：APK 和 PBT 属于半结晶材料，PC 则是无定形材料；APK 具有韧性，而 PBT 和 PC 呈现脆性。它们的玻璃化转变温度（Tg）各不相同，APK 约为 12°C，PBT 约为 40°C，PC 约为 144°C。这些特性使它们成为研究温度影响的理想对象。

（二）样品制备

将获取的颗粒分别在特定温度下干燥后进行压缩成型：APK 在 240°C、0.9 MPa 条件下；PBT 在 250°C、0.9 MPa 条件下；PC 在 300°C、1.35 MPa 条件下。

（三）测试方法

1. 热分析：借助差示扫描量热法（DSC）分析聚合物样品的热流，以此研究其玻璃化转变温度；运用热重分析（TGA）在空气氛围中从室温加热至 750°C，评估材料的热稳定性；采用傅里叶变换红外（FTIR）分析检测材料在高温下的氧化情况。

2. 动态力学分析：使用动态力学分析仪（DMA），在三点弯曲模式下对 2mm 厚的试样进行测试，从而了解材料的动态力学行为。

3. 机械性能测试：在 Zwick 050 万能测试系统上开展拉伸、压缩、剪切和球压痕测试，测试温度包含 0°C、23°C 和 80°C。

4. 划痕测试：采用 249 线性划痕测试仪，使用 1mm 球形（ISO）和 1mm 不对称（CLE）两种压头，在 30N 和 40N 恒定载荷、22mm/s 速度下进行测试，测试温度为 0°C、23°C 和 80°C。

5. 摩擦学测试：在自制旋转摩擦仪上进行球盘配置单向滑动模式测试，使用 6mm 直径 AISI 440 钢球，载荷 30N，速度 80mm/s，持续 6 小时，测试温度与上述相同。

三、结果与讨论

（一）形态与玻璃化转变

DSC 分析显示，APK 和 PBT 存在熔融峰，证实这两种材料处于半结晶状态。通过计算得出 APK 的结晶度为39%，PBT 的结晶度通过密度测量得到为 40%。FTIR 和 TGA 测试表明，三种材料在 80°C 下至少 3 天内保持稳定。

（二）粘弹性与机械性能

三种材料的储能模量（E'）在研究的温度范围内均呈急剧下降趋势。APK 的拉伸断裂伸长率（εb）随温度升高而增加，其韧性也随温度升高而提高，而 PBT 和 PC 的韧性则随温度升高而降低。三种材料的拉伸（屈服）强度（σy）均随温度升高而降低，且半结晶材料在超过各自 Tg 后强度下降更为陡峭。剪切强度（τ）同样随温度升高而降低，PC 的剪切强度在研究温度范围内最高。

（三）划痕性能

对于所有材料，正常载荷增加会使划痕更宽更深，不对称 CLE 压头产生的划痕比对称 ISO 压头更宽更深。APK 和 PBT 的划痕宽度和深度随温度升高而增加，而 PC 在使用 CLE 压头时，划痕宽度和深度随温度升高而减小。PC 在使用 CLE 压头时的划痕性能改善，使其在高温环境中的应用范围有望扩大。

（四）摩擦与磨损

APK 和 PBT 的比磨损率（K）处于同一数量级，且在 23°C 时最高，80°C 时最低。PC 的比磨损率和摩擦系数（μ）均高于 APK 和 PBT。APK 的磨损率和磨损轨迹形态不受环境温度影响，而 PBT 在高温下的磨损机制发生变化，出现材料转移现象。

四、结论

本研究探讨了 APK、PBT 和 PC 三种工程热塑性塑料在 0°C、23°C 和 80°C 三种环境温度下的划痕和磨损性能，并结合它们的动态力学性能进行了分析。研究发现，APK 和 PBT 的划痕性能随温度升高而恶化，PC 的划痕性能则有所改善。APK 的磨损率不受环境温度影响，APK 和 PBT 的摩擦系数和比磨损率在室温和高温下均有所改善。该研究强调了特定温度表征在拓展热塑性塑料应用范围中的重要性，为开发绿色摩擦学技术提供了概念验证，并确定 APK 是比 PBT 和 PC 更可持续、更可行的替代材料。

一起来做做题吧

1、以下哪项不属于工程热塑性塑料的典型优势？

A. 高比强度

B. 耐化学性

C. 耐高温蠕变性

D. 良好的导电性

2、本研究关注的三种材料中，属于半结晶塑料的是？

A. 聚碳酸酯（PC）

B. 脂族聚酮（APK）

C. 聚对苯二甲酸丁二醇酯（PBT）

D. B 和 C

3、压缩成型 PC 时使用的温度和压力分别是？

A. 240℃，0.9 MPa

B. 250℃，0.9 MPa

C. 300℃，1.35 MPa

D. 350℃，1.5 MPa

4、划痕测试中使用的不对称压头是？

A. ISO 球形压头

B. CLE 压头

C. 锥形压头

D. 扁平压头

5、随温度升高，哪种材料的划痕性能会改善？

A. 脂族聚酮（APK）

B. 聚对苯二甲酸丁二醇酯（PBT）

C. 聚碳酸酯（PC）

D. 所有材料

6、APK 的磨损率不受温度影响，主要原因是？

A. 高结晶度

B. 玻璃化转变温度低

C. 分子链稳定性

D. 以上都是

7、从生态设计角度，哪种材料更具可持续性？

A. 脂族聚酮（APK）

B. 聚对苯二甲酸丁二醇酯（PBT）

C. 聚碳酸酯（PC）

D. 三者相当

8、研究表明，摩擦学测试中 PC 的主要问题是？

A. 摩擦系数低

B. 比磨损率高

C. 高温软化

D. 低温脆化

参考文献：

Raghuram, H., et al. (2025), Influence of Temperature on Scratch and Wear Properties of Technical Thermoplastics: Implications for Material Selection. Adv. Eng. Mater. 2500139.

来源：知识泥土六二三