介孔二氧化硅改性聚酰亚胺基复合材料的摩擦学性能研究

发布时间：2020-08-04 10:14

【摘要】：聚合物自润滑材料在自润滑关节轴承等运动副越来越广泛的应用对以聚合物摩擦学基础理论研究为支撑的新型聚合物基自润滑材料的研发提出了强烈的实际需求。聚酰亚胺(Polyimide,PI)基自润滑复合材料在航空、航天、机械等领域具有重要应用,但是纯PI作为摩擦材料使用时仍存在减摩耐磨性较差等问题,且对PI材料摩擦学机理的研究也有待深入。介孔二氧化硅特殊的纳米孔道结构对聚合物分子链具有独特的渗透性,可以在聚合物基体中形成微纳米尺度的增强结构,对聚合物的性能产生重要的影响,有望对PI材料的摩擦学性能起到提升作用。本论文以一种纳米介孔二氧化硅(MPS)为PI的改性材料,制备出MPS改性PI复合材料,开展该复合材料的摩擦学性能研究;聚焦于摩擦界面,从摩擦化学与转移膜形成机制的角度研究了该复合材料的摩擦学机理;基于此,开展新型PI基自润滑复合材料的制备与性能评价工作。本论文首先合成了纳米介孔二氧化硅与热塑性PI,制备了PI/MPS纳米复合材料,系统研究了MPS对PI力学、热力学与摩擦学性能的影响,发现MPS能够有效提高PI的摩擦磨损性能;其次,从界面摩擦化学与转移膜形成机制的角度研究了PI/MPS纳米复合材料的摩擦学机理,发现PI/MPS纳米复合材料与轴承钢摩擦过程中,在摩擦界面发生了PI分解等复杂的摩擦化学反应,该摩擦化学反应主导了转移膜的形成机制,并对复合材料的摩擦磨损性能产生重要影响;再者,以不同固体润滑剂和纤维的单一或多元改性为手段,持续优化了PI/MPS纳米复合材料的摩擦学性能,得到了具有较好摩擦磨损性能与较高力学强度的PI/MPS基复合材料;最终,系统研究了上述PI/MPS基复合材料在广泛的相对滑动速度与载荷(PV值)下的摩擦学性能,获得了其与轴承钢组成的摩擦副在常温大气环境下的P-v图,为PI/MPS基复合材料潜在的实际应用提供了研究基础与数据支撑。本论文以MPS对PI材料的摩擦学性能影响研究为突破点,验证了MPS对PI材料摩擦学性能的提升作用,成功制备了具有较好摩擦学性能与力学性能的PI/MPS基复合材料;从摩擦化学和转移膜形成等角度揭示了PI复合材料的摩擦学机理,对先进聚合物基自润滑材料的研发具有重要的理论意义与参考价值。
【学位授予单位】：燕山大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB332
【图文】：

动态粘弹性,温度谱,聚合物

子运动由于其结构的复杂性而复杂和多样多数聚合物材料通常可处于四种力学状态合物材料由玻璃态向高弹态的转变称为玻（Tg）。从分子结构的角度来说，玻璃化到解冻状态的一种松弛现象[7]。通常采用中热损耗的能量与最大储存能量之比，随 1-1 聚合物动态粘弹性的温度谱所示。高链段的运动受到限制；随着温度升高，聚子链虽不能移动但是链段开始运动且体系温度进一步升高，整个分子链开始运动而内摩擦阻力再次升高，内耗再次增加。聚范围波动，对其使用性能和工艺性能产生的聚合物制品形状尺寸的变化以及表面质

分子结构图,分子结构,聚合物,聚合物材料

自润滑聚合物材料，其分子中的 F 原子具有较大的电负性，而且四氟乙烯单体具有完美的对称性，因而 PTFE 具有较低的表面能；PTFE 分子以 Van der Waals 力结合形成层状结晶结构，其层间滑动活化能仅有 7 kcal/mol，分子间极易发生分离与滑移[9,10]。因此 PTFE 分子具有较低的内聚力和粘附力，极低的摩擦系数以及很好的自润滑性能[11]。相比于 PTFE，绝大多数聚合物材料具有更高的摩擦系数，例如聚醚醚酮（polyetherether ketone，PEEK）[12]，聚酰胺（Polyamide, PA）[13]，环氧树脂（Epoxy，EP）[14]，聚氨酯（Polyurethane，PU）[15]等，这与这些聚合物材料具有更加复杂的分子结构有一定的关系。a)PTFE b)联苯酚醛环氧树脂

酰亚胺基,化学结构,二胺

图 1-3 酰亚胺基团的化学结构Fig. 1-3 Chemical structure of imide group性表现在：异：PI 耐高温达 400℃以上，长期使用温度范解温度一般都在 500℃以上，可耐极低温，在-在 100 Mpa 以上，弹性模量通常为 3-4 Gpa，纤103 赫下介电常数 4.0，介电损耗仅 0.004~0.0和耐酸性。活多元：PI 主要由二元酐和二元胺合成，这两酐和二胺的种类广泛，采用不同的二胺与二酐PI 不仅品种繁多，而且结构形式多样，可以根计，这种合成上的灵活性是其它高分子材料所工性：自 20 世纪七八十年代以来，人们对 P

【参考文献】