Comparison of Friction and Wear Performances of Pure Poly-ether-ether-ketone Polymer and Carbon Fiber Reinforced Poly-ether-ether-ketone Polymer Composite for Bushing and Bearing Applications

Abstract

Machine elements such as bushings, rollers and bearings made of plastic materials are used in some parts of the machines in different areas of the industry. Sometimes different loads affect these machine elements depending on the usage conditions and sometimes they work at different speeds. Depending on the affecting conditions, the working life of the material is determined. In this study, the tribological performances of pure poly-ether-ether-ketone (PEEK) polymer and 30% by weight carbon fiber (CE) reinforced poly-ether-ether-ketone (PEEK-30CE) composite were investigated. Tribological experiments were carried out using pin-on-disk device at room temperature and dry sliding conditions. Two different loads, both 30N and 100N, and four different speeds (1, 2, 3 and 4 m/s) were used in the experiments. As a result of the experiments, the friction coefficient, pin temperature and specific wear rate of the pure PEEK polymer and 30% carbon fiber reinforced PEEK composite were determined. In addition, the microstructures of the wear surfaces were examined using an optical microscope. As a result of the experiments, depending on the sliding speed, the friction coefficient of both pure PEEK and carbon fiber reinforced PEEK composite decreased while the wear rate increased. It has been determined that the carbon fiber reinforced PEEK composite has an average of 50% higher wear resistance compared to the pure PEEK polymer.

Keywords

• PEEK
• PEEK
• PEEK
• PEEK
• carbon fiber
• wear rate
• friction coefficient
• composite

Burç ve Yatak Uygulamaları için Saf Poli-eter-eter-keton Polimer ve Karbon Elyaf Takviyeli Poli-eter-eter-keton Kompozitin Sürtünme ve Aşınma Performanslarının Karşılaştırılması

Öz

Endüstrinin değişik alanlarında, makinelerin bazı aksamlarında plastik malzemeden üretilen burç, makara ve rulman gibi makine elemanları kullanılır. Bu makine elemanlarına bazen kullanım şartlarına bağlı olarak farklı yükler etki etmekte bazen de bu parçalar farklı hızlarda çalışmaktadır. Etki eden şartlara bağlı olarak malzemenin çalışma ömrü belirlenir. Bu çalışmada, saf poli-eter-eter-keton (PEEK) polimeri ile ağırlıkça %30 oranında karbon elyaf (CE) takviyeli poli-eter-eter-keton (PEEK-30KE) kompozitin tribolojik performansları araştırılmıştır. Tribolojik deneyler disk üzerinde pim cihazı kullanılarak oda sıcaklığında ve kuru kayma şartlarında gerçekleştirilmiştir. Deneylerde 30N ve 100N olmak üzere iki farklı yük, 1, 2, 3 ve 4m/s olmak üzere dört farklı hız kullanılmıştır. Deneyler sonucunda saf PEEK polimer ve %30 oranında karbon elyaf takviyeli PEEK kompozitinin sürtünme katsayısı, pim sıcaklığı ve spesifik aşınma oranı belirlenmiştir. Optik mikroskop kullanılarak deney malzemelerinin aşınma yüzeyi incelenmiştir. Deneyler sonucunda kayma hızına bağlı olarak hem saf PEEK hem de karbon elyaf takviyeli PEEK kompozitin sürtünme katsayısı azalırken aşınma oranı artış göstermiştir. Karbon elyaf takviyeli PEEK kompozitin saf PEEK polimerine göre ortalama %50 oranında daha yüksek aşınma direncine sahip olduğu tespit edilmiştir.

Anahtar Kelimeler

• karbon elyaf
• Aşınma Oranı
• sürtünme katsayısı
• kompozit
• PEEK

Kaynakça

1. Baird D. G., Encyclopedia of Physical Science and Technology, Third Edition, Elsevier Science Ltd, pp. 621-640, 2001.
2. Cao H., Dong X., Qu D., Dong C., Zhao C., Sun D., Gu L., Wu B., Transfer film growth of continuous carbon fiber reinforced thermoplastic poly (ether ether ketone) facilitated by surface texture during dry sliding, Journal of Material Science 57, 383-397, 2022.
3. Çatak K., Fonksiyonlanmış ve silanlanmış karbon elyaf takviyeli poliamid kompozitlerin ısıl ve mekanik özelliklerinin incelenmesi, Yalova Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Yüksek Lisans Tezi (Basılmış), 2016.
4. Genç G., Elyaf sarma yöntemiyle üretilen karbon elyaf kompozitlerde ön gerilme parametrelerinin elyaf ve kompozit mukavemetine etkisi, Marmara Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Doktora tezi (Basılmış), 2008.
5. Güngör K., Sinterlenmiş Bronz Esaslı Kaymalı Yataklarda Polimer Kullanımının Tribolojik Özelliklere Etkisi, Sakarya Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Doktora tezi (Basılmış), 2016.
6. Hanchi J., Eiss Jr. N. S., Dry sliding friction and wear of short carbon-fiber-reinforced polyetheretherketone (PEEK) at elevated temperatures, Wear 203-204, 380-386, 1997.
7. Harris T., Kotzalas M., Advanced Concepts of Bearing Technology, Fifth Edition, CRC Press, Boca Raton, FL, USA, 2007.
8. Hearle J.W.S., High-performance Fibres, CRC Press, Cambridge, England, 2001.

9. Hou X., Hu Y., Hu X., Jiang D., Poly (ether ether ketone) composites reinforced by graphene oxide and silicon dioxide nanoparticles: Mechanical properties and sliding wear behavior. High Performance Polymers 30(4), 406-417, 2018.
10. Hu J., 3-D Fibrous Assemblies: Properties, Applications and Modelling of Three-Dimensional Textile Structures, Elsevier, Woodhead Publishing, 2008.
11. Zhu J., Ma L., Dwyer-Joyce R., Friction and wear behaviours of self-lubricating peek composites for articulating pin joints. Tribology International 149, 105741, 2020.
12. Kalaycı E., Avinç O., Yavaş A., Polieter Eter Keton (Peek) Lifleri. Cumhuriyet Üniversitesi Fen Fakültesi Fen Bilimleri Dergisi 38(2), 168-186, 2017.
13. Karaçam Dinç S., Yağlayıcıların polimer rulmanlı yatak gürültü karakteristiğine etkisinin deneysel analizi, İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Yüksek lisans tezi (Basılmış), 2012.
14. Koç E., Makina Elemanları, Cilt-II, Nobel Yayınları, Adana, 2006. Koç V., Demirel M., Epoksi Reçine-MgO Polimer Matrisli Kompozit Malzemelerin Üretilmesi ve Pin On Disk Abrasiv Aşınma Özelliklerinin İncelenmesi. Fırat Üniversitesi Mühendislik Bilimleri Dergisi 31(1), 1-10, 2019.
15. Kumar D., Rajmohan T., Experimental investigation of wear of multiwalled carbon nanotube particles-filled poly-ether-ether-ketone matrix composites under dry sliding. Journal of Thermoplastic Composite Materials 32(4), 521-543, 2019.
16. May R., Polyetheretherketones, in: Mark H. F., Bikales N. M., Overberger C. G., Menges G., Kroschiwitz J.I., (Eds.), Encyclopedia of Polymer Science and Engineering, John Wiley and Sons, New York, pp. 313-320,1988.
17. Mazumdar S. K., Composites Manufacturing: Materials, Product, and Process Engineering, CRC Press, pp. 20-73, 2002.
18. Samyn P., Baets P. D., Schoukens G., Driessche I. V., Friction, wear and transfer of pure and internally lubricated cast polyamides at various testing scales. Wear 262(11-12), 1433-1449, 2007.
19. Schmidlin P. R., Stawarczyk B., Wieland M., Attin T., Hämmerle C. H. F., Fischer J., (2010). Effect of different surface pre-treatments and luting materials on shear bond strength to PEEK. Dental Materials 26(6), 553-559, 2010.
20. Şafak D., Plastik Enjeksiyon Kalıplarının Tasarım Bakımından İncelenmesi ve Uygulamalı Kalıp Örneği, İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Yüksek Lisans Tezi (Basılmış), 2001.
21. Topcu İ., Karbon Nanotüp Takviyeli Alüminyum Matriksli AlMg/KNT Kompozitlerinin Mekanik Davranışlarının İncelenmesi, Çanakkale Onsekiz Mart Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi 4(1), 99-109, 2018.
22. Yan Y., Meng Z., Liu H., Wang J., Chen B., Yan F., Nano-MOS2 modified PBO fiber hybrid for improving the tribological behavior and thermal stability of TPI/PEEK blends. Tribology International 144, 106117, 2020.
23. Yang M., Zhang Z., Yuan J., Wu L., Zhao X., Guo F., Men X., Liu W., Fabrication of PTFE/Nomex fabric/phenolic composites using a layer-by-layer self-assembly method for tribology field application. Friction 8, 335-342, 2020.
24. Yetgin S. H., Ünal H., Mimaroglu A., Fındık F., Influence of Process Parameters on the Mechanical and Foaming Properties of PP Polymer and PP/TALC/EPDM Composites. Polymer-Plastics Technology and Engineering 52(5), 433-439, 2013.
25. Yılmaz T., PEEK (polyetheretherketone) ve kompozitlerinde kısa fiber takviyesi ve mikro yapının tribolojik özelliklere etkisi, Kocaeli Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Yüksek lisans tezi (Basılmış), 2002.
26. You Y., Liu C., Li D., Liu S., He G., Tribological and flame-retardant modification of polyamide-6 composite. Journal of Central South University 26, 88-97, 2019.
27. Zhu J., Ma Le., Dwyer-Joyce R., Friction and wear behaviours of self-lubricating peek composites for articulating pin joints. Tribology International 149, 105741, 2020.