仿生金属短碳纤维/PEEK复合齿轮的热机械增强与啮合退化机制

《Polymer》：Thermo-mechanical Enhancement and Meshing Degradation Mechanism of Bio-inspired Metal-SCF/PEEK Composite Gears

　　

摘要

针对传统传动系统对高精度和严格润滑的苛刻要求，以及单一高分子基齿轮在高载荷、高转速条件下显著热积累和复杂磨损机制的缺陷，本研究提出了一种受关节软骨启发的、具有聚合物保护层的金属基多材料复合齿轮。该复合齿轮将金属的高热导率与短切碳纤维增强聚醚醚酮(SCF-PEEK)的自润滑特性相结合，实现了主动热管理和智能自润滑，抑制温升、维持界面稳定性，从而增强了齿轮的机械-热学和摩擦学性能。结果表明，与均质SCF/PEEK齿轮相比，该仿生复合齿轮在润滑条件下将啮合温度降低了28.8%，在干摩擦条件下降低了18.1%，有效缓解了PEEK基体超过玻璃化转变温度(Tg)后的热降解。此外，碳纤维在摩擦诱导下的碳结构有序化提供了补充性自润滑。与高分子基齿轮相比，该复合仿生齿轮在润滑和干摩擦条件下的接触疲劳寿命分别延长了23.4%和35.0%。此外，即使在干摩擦条件下，该齿轮仍能保持良好的机械-热稳定性。本研究与现有高分子齿轮增强研究形成协同互补，为需要高功率密度、长期免维护运行以及在极端环境中具有韧性的传动应用——如地外探索、智能机器人和无人机——提供了一种新颖的设计理念。

引言

齿轮作为机械传动系统中的核心功能部件，广泛应用于航空航天、工业机器人、能源设备和生物医学器件等关键传动领域。尽管传统齿轮传动系统具有优异的机械强度，但仍存在固有缺陷，如高质量密度、运行过程中显著振动和噪声[1][2]，以及严格的润滑要求[3][4]，这些因素限制了关键装备向更高性能和可靠性方向发展。

聚醚醚酮(PEEK)齿轮凭借轻质、转动惯量小、减震降噪、自润滑特性、高机械强度和耐热性[7][8][9][10][11][12]，对于强调高功率密度、可靠性和低维护量的现代机械系统具有显著优势[5][6]。重要的是，高分子材料可以在金属表面均匀转移并沉积，形成稳定且具有保护作用的转移膜，从而显著降低摩擦和磨损[13][14]，进而放宽了齿轮啮合中的严格表面精度要求。这些特性满足了恶劣工况（腐蚀环境、有限或无润滑）下传动部件的长期服役需求。

由于热损伤引起的热-机械性能退化，PEEK齿轮在航空航天系统、机器人和无人机等需要高功率密度和可靠性的应用中受到限制。高分子齿轮在实际应用中面临两个关键限制，尤其是在高载荷、高转速或变温条件下。首先，高分子基体的低固有热导率阻碍了散热，加剧了PEEK部件中的粘性流动，恶化了摩擦热积累，诱发局部热软化，甚至导致热失效，从而严重限制了承载能力和功率密度。其次，啮合界面处复杂的磨损机制破坏了材料的粘弹性，阻碍了稳定、高强度保护性转移膜的形成，导致表面加速磨损，并使齿轮的疲劳寿命高度不可预测。此外，Premanand等人指出，在循环载荷下，聚醚酮酮(PEKK)的产热量随应力振幅增大，而冷却速率则随时间递减[15]。因此，即使初始温度适中，长时间高扭矩运行也会导致显著的热积累。在缺乏充分热管理的情况下，局部温度可能接近或超过PEEK基体的Tg，导致软化或热降解[16]，进而严重丧失齿轮传动性能。此外，温度与磨损率之间存在关键的阈值效应。在Tg以下，磨粒磨损占主导且磨损率相对较低。一旦超过Tg，基体发生软化[17]，促进纤维-基体脱粘，主导磨损机制转变为粘着磨损和疲劳磨损[18][19]，伴随磨损率的急剧上升。因此，将PEKK齿轮的工作温度维持在Tg以下是确保高尺寸稳定性和耐磨性的关键[20]。在缺乏有效热管理的情况下，PEEK基材料不适合在极端条件下的高性能传动系统[21][22][23]中应用。更为关键的是，高温会诱发高分子软化和粘性组分活化，促进转移膜过度积累和后续脱落。在实际齿轮啮合中，该膜受到持续接触、热和离心力的循环应力作用，导致疲劳失效和界面脱落。同时，高分子表面持续磨损，暴露新鲜材料，维持着动态的转移-脱落循环。如果脱落速率超过再转移速率，金属-高分子直接接触将加速磨损。只有当转移速率和脱落速率达到平衡时才能实现稳定磨损阶段，这种状态由界面结合强度决定[24]。因此，稳态下过高的移除率将导致显著磨损。

近期关于导热PEEK复合材料的研主要集中在通过共价修饰、溶液共混和结构优化构建有效的填料网络以提高整体热导率[25][26][27][28]。这些工作改善了电子封装和热管理应用中的散热效果。此外，Li等人表明，将短碳纤维增强PEEK与SiO?纳米颗粒填充PEEK并排组装可产生与杂化纳米复合材料相当的协同摩擦学效应，主要通过形成纳米结构化摩擦膜实现[29]。Guo等人进一步证明，氧化物纳米颗粒的类型和硬度强烈影响摩擦膜结构和CF/PEEK复合材料的摩擦学性能，其中硬纳米颗粒（如ZrO?）有助于在严苛条件下形成承载型摩擦膜[30]。在分子松弛方面，Chen等人[31]通过PEI/GO复合界面处理增强了CF/PEEK界面粘结，促进了分子扩散和机械互锁。Li等人[32]通过分子动力学模拟揭示，非键合相互作用和分子松弛控制界面剪切蠕变和脱粘。Fu等人[33]表明，成型收缩、粘弹性松弛和热失配主导了热成型过程中残余应力的演化。这些研究表明，填料设计、摩擦膜演化和界面松弛对PEEK复合材料性能至关重要。然而，这些方法仍属于被动材料设计，未解决滑动界面处的主动热管理问题，而这对齿轮接触尤为重要，因为摩擦热积累直接决定了齿轮性能。

关于PEEK齿轮本身，现有研究已探讨了碳纳米管增强聚芳醚酮(PAEK)注塑齿轮和碳纤维增强聚合物(CFRP)层压齿轮[34][35]。随着扭矩和转速的增加，温升和磨损率均增大，且主动齿轮的退化更为严重；功能化碳纳米管齿轮优于纯PAEK齿轮，且CFRP齿轮在相同载荷下的使用寿命远长于传统PEEK齿轮。然而，目前CF/PEEK齿轮研究主要集中在填料用量、涂层和工艺参数方面，而非嵌入式金属梯度结构。因此，通过嵌入式金属梯度结构主动调控界面温度和转移膜稳定性的研究尚未开展。

另一并行的研究方向试图通过金属-高分子混合架构克服高分子齿轮的热学限制。Fernandes等人[22]实验证明，在塑料齿轮中插入金属芯可以降低工作温度并提高承载能力，主要通过提供高导热率热提取路径和增加整体齿部刚度实现。Hooton等人[23]对混合塑料齿轮齿条进行了实验和有限元分析，报告了约20%的温降，并将其归因于金属基板的散热效应。近期，Sun等人[21]开发了混合金属-复合材料齿轮齿部变形的解析模型，进一步证实金属芯可抑制变形并改善载荷分布。尽管取得了这些进展，现有混合齿轮研究主要关注宏观热学和结构性能指标，如整体温降和承载能力。潜在的力-化学机制，特别是金属芯如何调控高分子的热状态、变形行为以及转移膜的动态形成和稳定性，仍有待深入研究。因此，混合金属-高分子齿轮的设计仍主要依赖经验，缺乏将热管理与摩擦学性能相关联的理论指导。

关节软骨展现出一种复合结构架构，其中致密的胶原网络与蛋白聚糖基体共同构建了耐磨表面和吸能核心，将刚度与韧性融为一体[36]。这启发了金属-高分子复合齿轮设计以解决其在机械-热性能方面的固有局限并突破单一材料齿轮的性能上限。图1展示了受关节软骨功能架构启发的金属-高分子复合齿轮仿生制备方案。这种关节软骨仿生金属-高分子复合齿轮架构利用了PEEK的粘弹性，使其与天然关节软骨的力学性能相匹配，从而实现自适应力学响应和润滑调控。这种结构-功能一体化的仿生构型由外层SCF-PEEK（赋予弹性缓冲、固有自润滑和优异耐磨性）与内层金属芯（承担主要载荷和高效热传导）结合而成，无需特殊外部冷却干预即可实现主动热管理和自润滑调控。该设计显著提高了传动系统的运行稳定性和使用寿命，从而为下一代高性能传动齿轮——具有卓越承载能力和耐磨性——的发展提供了关键技术路径。

三个关键科学空白推动了本研究。首先，在齿轮啮合条件下，金属芯介导的散热与PEEK热软化和磨损抑制之间的定量关系尚未确立。其次，主动热管理对转移膜形成、生长和脱落动力学的影响——这很可能受到温度依赖性链松弛的影响——仍有待阐明。第三，将关节软骨功能架构明确映射到金属-高分子齿轮构型上的仿生设计原理缺乏严格的实验验证。解决这些空白对于超越经验性混合齿轮设计范式、开发基于预测和机制的设计框架至关重要。

本研究考察了PEEK在代表齿轮啮合条件的高温循环高应力载荷下的热-机械响应。研究表明，由此产生的热软化和退化行为直接控制了转移膜形成、碎屑生成和界面结合完整性，从而决定了整体疲劳性能。具体而言，本研究做出了三项不同的贡献，共同验证了一种基于仿生设计的主动热管理策略。首先，通过有限元模拟和红外热成像相结合的方法，定量表征了金属芯的热分流效率和齿轮齿厚方向的温度梯度，提供了嵌入式金属基板有效提取摩擦热并维持高分子低于其临界热转变温度的直接证据。其次，研究揭示了金属芯诱导的温度调控如何控制高分子链松弛、转移膜稳定性，最终影响接触疲劳寿命。第三，实验表明，与均质SCF/PEEK齿轮相比，受关节软骨启发的复合齿轮在润滑条件下将啮合温度降低了最高28.8%，在干摩擦条件下降低了18.1%，同时将接触疲劳寿命分别延长了23.4%和35.0%，从而证实了仿生架构提供了超越简单结构类比的功能性优势。基于这些发现，本研究为通过可控散热和结构设计定制特定服役环境下的高分子微观结构提供了见解，并为通过高效热管理提升高分子齿轮的机械-热学和摩擦学性能提供了经验证的策略。此外，该系统性地阐明了高分子、高分子复合材料和金属-高分子复合齿轮在严苛工况下的磨损机制，建立了表征和机制分析的原理性框架。综合而言，这些贡献为开发基于科学的失效准则和高分子基齿轮行业标准奠定了理论和实验基础。

章节片段

材料

本研究中使用的高分子表面层材料为SCF-PEEK，这是一种具有低摩擦系数的自润滑材料。图2展示了原始颗粒材料和30%短切碳纤维增强PEEK复合材料断裂面的扫描电子显微镜(SEM)图像。SCF-PEEK注塑成型后，纤维长度通常降低至数均长度Ln约为50~150 μm，且呈向短纤维偏移的宽分布。

金属-SCF/PEEK复合齿轮

通过工业计算机断层扫描(CT)无损检测，对比了金属-PEEK复合齿轮齿（图3(a)）和纯PEEK基齿轮齿（图3(b)）的内部结构。

在复合结构中，20CrMnTi嵌件在PEEK包胶体中实现良好居中，这是保持齿廓精度和载荷均匀传递的关键因素。任何错位都可能导致冷却不均和收缩不均匀，进而引起啮合不良、振动加剧及疲劳寿命降低。观察结论：（1）PEEK的软化行为及其与温度的依赖关系以及界面热条件，决定了转移膜的形成与稳定性。在无润滑条件下，复合齿轮形成了梯度转移膜结构，由润滑层（源自碳纤维）-非晶态聚合物基体-晶态金属氧化物锚固层组成，实现了超强自润滑功能。相比之下，单一聚合物基齿轮在干摩擦条件下表现出过量的CRediT作者贡献声明：彭超义：监督指导、调查。杨俊：监督指导、调查。曹华君：监督指导、资源获取、项目管理、调查、资金获取。杨海洋：监督指导、调查。孟祥伟：撰写—审阅与编辑、撰写—原稿撰写、可视化、验证、调查、形式分析、数据管理。伊豪：撰写—审阅与编辑、监督指导、资源获取、项目管理、资金获取、形式分析。利益冲突声明：作者声明不存在任何已知的可能影响本文所报告工作的竞争性经济利益或个人关系。数据可用性：数据可应请求提供。利益冲突声明? 作者声明不存在任何已知的可能影响本文所报告工作的竞争性经济利益或个人关系。致谢：本工作受国家自然科学基金（资助编号：T2421001、52375306）、重庆市青年创新人才项目（资助编号：CSTB2025YITP-QCRCX0097）、重庆市自然科学基金（资助编号：CSTB2025NSCQ-GPX0728）、中国航发航空齿轮制造技术创新中心开放基金（资助编号：AGMTIC-KFKT-202411）、重庆市研究生科研创新基金（资助编号：CYB25014）资助。孟祥伟 | 伊豪 | 曹华君 | 杨海洋 | 彭超义 | 杨俊 重庆大学 先进装备机械传动全国重点实验室，重庆 400044，中国。