CF增强PTFE/PEEK编织复合材料的制备及自润滑性能研究
发布时间：2021-12-19 12:48
聚四氟乙烯（PTFE）是一种具有低摩擦系数和自润滑性能的固体润滑剂,但超高的磨损率限制了其在摩擦领域的应用。为增强PTFE力学性能的同时保留其低摩擦系数,传统方法是采用增强体填充或树脂共混。而单一的增强手段往往不尽理想,因此本文将两种增强手段相结合,在PTFE与聚醚醚酮（PEEK）树脂共混的基础上引入碳纤维（CF）,实现对材料摩擦性能和力学性能的综合调控。与传统的短纤维增强材料相比,连续纤维可有效提升摩擦材料的承载能力;采用CF与树脂纤维混编制备织物进行模压可以实现对CF的预浸渍,提升材料的整体性和界面结合强度。因此本实验将CF、PTFE纤维和PEEK纤维以平纹编织的方式制备预制件,采用模压成型制备连续CF增强PTFE/PEEK复合材料,最后结合摩擦实验和计算机模拟对样品进行摩擦性能和力学性能测试分析。本文首先通过对原料的热性能测试和对比实验探索最佳成型工艺参数,确定了345oC的成型温度、0.5 MPa的成型压力、[0/90]2的铺层角度以及织物与混合树脂粉末交替铺层的铺层方式。对样品进行摩擦实验探究材料组成与摩擦条件对摩擦性能的影响,结合磨痕形貌分析摩擦机理。摩擦实验首先证实CF和...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：90 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
PTFE成膜机理[8]
Α⑻岣吒斩群颓慷鹊仁侄卫刺嵘?Σ聊ニ鹦?能。为利用PTFE的低摩擦系数，同时限制其磨损率，人们主要通过向PTFE引入填料或共混等手段制作复合材料，以实现对摩擦系数和磨损率的调控。PTFE复合材料摩擦时的模型如下图1-3所示，PTFE的自润滑性能体现于磨屑在金属对摩件上生成了一层转移膜，同时PTFE摩擦面还有一层运行膜[11]。转移膜覆盖住金属表面将PTFE与金属间摩擦变成膜与膜之间的滑动。利用填充物促进成膜并有效锁住润滑膜来降低磨损是提升摩擦性能的关键，因此降低复合材料磨损率和摩擦系数重点在于找到合适的填料。图1-3PTFE摩擦模型[11]。（1）纤维增强PTFE复合材料将纤维作为增强体加入复合材料中能提升材料硬度并有效帮助基体分担载荷，在摩擦过程中降低材料的磨损率，因此也是改善PTFE摩擦性能最重要的手段之一。常用来做增强体的纤维有玻璃纤维（GF）、芳纶纤维、晶须和碳纤维（CF）。Feng[12]在PTFE中加入钛酸钾晶须（PTW），由于晶须的存在分担了载荷，减小磨屑尺寸使得磨损率降为原来的10%，极限载荷和滑动速度也有所提升。Huang[13]使用GF增强PTFE并研究了不同温度下材料的摩擦性能发现在磨损初期PTFE直接接触摩擦副引起较大磨损率，而后GF逐渐从内部暴露承担主要载荷使得磨损率下降。温度较低时，摩擦率较稳定；在高温时，磨损过程复杂，由于基体发生软化引起纤维脱粘，因此除了原有的黏着磨损还增加了脱落纤维的三体磨损。由于GF本身不具有润滑作用，因此很多实验选择用CF做增强体来改善摩擦性能，一方面CF本质是石墨，层状结构使其具有优异的润滑性；另一方面CF具有良好
⒎⑸?幌盗谢?学反应生成羧酸盐，羧酸盐与Al2O3和金属摩擦副形成螯合物有利于润滑膜的固定，由此使得磨损率大幅下降。Sun[22]在PTFE中添加新型填料BeO和GeO2使磨损率下降为原来的0.1%，磨损率下降可能是摩擦面表面生成螯合物和控制微裂纹扩展共同导致的。在PTFE中添加纳米级石墨烯片、碳纳米管和活性炭也会产生螯合物进而达到磨损率下降的效果[23]。研究发现部分添加剂的含量与PTFE的磨损率呈-2次幂关系，即当填料含量增加一个数量级可使磨损率下降两个数量级，但当添加剂到达填充极限后可能会引发材料结构的破坏[24]。图1-4低磨损系统的摩擦模型[21]以纳米填料为添加剂可以有效降低材料磨损率，但必须要面临的问题是由于较高的表面能引起的粒子团聚，填充过量或分布不均都会直接弱化材料性能。许多填充物需要在特定条件下才能发挥作用，MoS2作为固体润滑剂在干燥的环境下能明显的提升摩擦性能，但当其暴露于潮湿空气中时，会引起机械性能和摩擦性能的下降[25]。α-Al2O3填充PTFE也同样表现出强烈的环境依赖性，在无水的环境下其对PTFE性能并无明显改善，只有在有水的环境中才能促进形成螯合物从而起到固定润滑膜的作用[26]。要解决该问题还需为PTFE找寻更理想的填充物。（3）树脂共混复合材料为获得具有优异性能的树脂基复合材料，将基体共混也是一种常见的手段。PTFE的力学性能软而弱，通常选用强度较高的树脂与其共混来达到增强的目的。由于PTFE相容性较差，因此与之共混的聚合物较少，常见的有尼龙6（PA6）、尼龙66（PA66）、聚苯硫醚（PPS）、聚醚砜（PES）、和PEEK等[27]。Rudresh[28]将PA66与PTFE混合，经挤出和注塑成型制得具有不同配比的共混物，经摩擦实验发现当共混物中PTFE的含量为30%时，材料耐磨性能最好，但整体磨损率降低
【参考文献】：
期刊论文
[1]自润滑轴承摩擦学性能数值模拟的研究进展[J]. 陈伟东,邹芹,李艳国,王明智. 轴承. 2019(10)
[2]基于ABAQUS的碳纤维增强铝合金层合板的承载性能研究[J]. 尹学智,黄亚新,林渊. 玻璃钢/复合材料. 2019(07)
[3]编织结构对编织复合材料弯曲性能的影响[J]. 闫晓芳,曹海建,黄晓梅. 纺织科技进展. 2019(04)
[4]聚醚醚酮在航空航天领域的应用[J]. 张辉,方良超,陈奇海,霍绍新,姚芮. 新技术新工艺. 2018(10)
[5]二维二轴单向编织铺层复合材料拉伸性能的研究[J]. 施丽,阳玉球,阎建华. 玻璃钢/复合材料. 2018(03)
[6]二维编织复合材料的结构及力学性能研究[J]. 马晓红,田文强,夏燕茂. 上海纺织科技. 2016(05)
[7]分子模拟方法及模拟软件Materials Studio在高分子材料中的应用[J]. 庄昌清,岳红,张慧军. 塑料. 2010(04)
[8]聚醚醚酮纤维的结构与性能[J]. 胡安,刘鹏清,徐建军,叶光斗,任殿福,王贵宾. 合成纤维工业. 2009(06)
[9]Effects of fibrous fillers on friction and wear properties of polytetrafluoroethylene composites under dry or wet conditions[J]. Huaiyuan Wang, Xin Feng, Yijun Shi, Xiaohua LuState Key Laboratory of Materials-oriented Chemical Engineering, Nanjing University of Technology,Nanjing 210009, China. China Particuology. 2007(06)
[10]PEEK的特性及应用[J]. 付国太,刘洪军,张柏,韩光鹤. 工程塑料应用. 2006(10)
博士论文
[1]三维机织复合材料拉伸和剪切损伤与失效分析[D]. 刘刚.哈尔滨工业大学 2019
[2]CFRP层合板低速冲击行为与损伤机理研究[D]. 肖琳.哈尔滨工业大学 2019
[3]高性能织物增强聚四氟乙烯复合材料摩擦学性能研究[D]. 刘沛.复旦大学 2013
硕士论文
[1]PTFE纤维织物自润滑复合材料的制备与性能研究[D]. 王媛.哈尔滨工业大学 2019
[2]三维编织碳纤维增强聚醚醚酮复合材料的制备及性能研究[D]. 许小海.天津大学 2012
[3]混杂纤维复合材料夹芯结构静载下数值模拟[D]. 王孟孟.哈尔滨工业大学 2011
本文编号：3544447
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：90 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
PTFE成膜机理[8]
Α⑻岣吒斩群颓慷鹊仁侄卫刺嵘?Σ聊ニ鹦?能。为利用PTFE的低摩擦系数，同时限制其磨损率，人们主要通过向PTFE引入填料或共混等手段制作复合材料，以实现对摩擦系数和磨损率的调控。PTFE复合材料摩擦时的模型如下图1-3所示，PTFE的自润滑性能体现于磨屑在金属对摩件上生成了一层转移膜，同时PTFE摩擦面还有一层运行膜[11]。转移膜覆盖住金属表面将PTFE与金属间摩擦变成膜与膜之间的滑动。利用填充物促进成膜并有效锁住润滑膜来降低磨损是提升摩擦性能的关键，因此降低复合材料磨损率和摩擦系数重点在于找到合适的填料。图1-3PTFE摩擦模型[11]。（1）纤维增强PTFE复合材料将纤维作为增强体加入复合材料中能提升材料硬度并有效帮助基体分担载荷，在摩擦过程中降低材料的磨损率，因此也是改善PTFE摩擦性能最重要的手段之一。常用来做增强体的纤维有玻璃纤维（GF）、芳纶纤维、晶须和碳纤维（CF）。Feng[12]在PTFE中加入钛酸钾晶须（PTW），由于晶须的存在分担了载荷，减小磨屑尺寸使得磨损率降为原来的10%，极限载荷和滑动速度也有所提升。Huang[13]使用GF增强PTFE并研究了不同温度下材料的摩擦性能发现在磨损初期PTFE直接接触摩擦副引起较大磨损率，而后GF逐渐从内部暴露承担主要载荷使得磨损率下降。温度较低时，摩擦率较稳定；在高温时，磨损过程复杂，由于基体发生软化引起纤维脱粘，因此除了原有的黏着磨损还增加了脱落纤维的三体磨损。由于GF本身不具有润滑作用，因此很多实验选择用CF做增强体来改善摩擦性能，一方面CF本质是石墨，层状结构使其具有优异的润滑性；另一方面CF具有良好
⒎⑸?幌盗谢?学反应生成羧酸盐，羧酸盐与Al2O3和金属摩擦副形成螯合物有利于润滑膜的固定，由此使得磨损率大幅下降。Sun[22]在PTFE中添加新型填料BeO和GeO2使磨损率下降为原来的0.1%，磨损率下降可能是摩擦面表面生成螯合物和控制微裂纹扩展共同导致的。在PTFE中添加纳米级石墨烯片、碳纳米管和活性炭也会产生螯合物进而达到磨损率下降的效果[23]。研究发现部分添加剂的含量与PTFE的磨损率呈-2次幂关系，即当填料含量增加一个数量级可使磨损率下降两个数量级，但当添加剂到达填充极限后可能会引发材料结构的破坏[24]。图1-4低磨损系统的摩擦模型[21]以纳米填料为添加剂可以有效降低材料磨损率，但必须要面临的问题是由于较高的表面能引起的粒子团聚，填充过量或分布不均都会直接弱化材料性能。许多填充物需要在特定条件下才能发挥作用，MoS2作为固体润滑剂在干燥的环境下能明显的提升摩擦性能，但当其暴露于潮湿空气中时，会引起机械性能和摩擦性能的下降[25]。α-Al2O3填充PTFE也同样表现出强烈的环境依赖性，在无水的环境下其对PTFE性能并无明显改善，只有在有水的环境中才能促进形成螯合物从而起到固定润滑膜的作用[26]。要解决该问题还需为PTFE找寻更理想的填充物。（3）树脂共混复合材料为获得具有优异性能的树脂基复合材料，将基体共混也是一种常见的手段。PTFE的力学性能软而弱，通常选用强度较高的树脂与其共混来达到增强的目的。由于PTFE相容性较差，因此与之共混的聚合物较少，常见的有尼龙6（PA6）、尼龙66（PA66）、聚苯硫醚（PPS）、聚醚砜（PES）、和PEEK等[27]。Rudresh[28]将PA66与PTFE混合，经挤出和注塑成型制得具有不同配比的共混物，经摩擦实验发现当共混物中PTFE的含量为30%时，材料耐磨性能最好，但整体磨损率降低
【参考文献】：
期刊论文
[1]自润滑轴承摩擦学性能数值模拟的研究进展[J]. 陈伟东,邹芹,李艳国,王明智. 轴承. 2019(10)
[2]基于ABAQUS的碳纤维增强铝合金层合板的承载性能研究[J]. 尹学智,黄亚新,林渊. 玻璃钢/复合材料. 2019(07)
[3]编织结构对编织复合材料弯曲性能的影响[J]. 闫晓芳,曹海建,黄晓梅. 纺织科技进展. 2019(04)
[4]聚醚醚酮在航空航天领域的应用[J]. 张辉,方良超,陈奇海,霍绍新,姚芮. 新技术新工艺. 2018(10)
[5]二维二轴单向编织铺层复合材料拉伸性能的研究[J]. 施丽,阳玉球,阎建华. 玻璃钢/复合材料. 2018(03)
[6]二维编织复合材料的结构及力学性能研究[J]. 马晓红,田文强,夏燕茂. 上海纺织科技. 2016(05)
[7]分子模拟方法及模拟软件Materials Studio在高分子材料中的应用[J]. 庄昌清,岳红,张慧军. 塑料. 2010(04)
[8]聚醚醚酮纤维的结构与性能[J]. 胡安,刘鹏清,徐建军,叶光斗,任殿福,王贵宾. 合成纤维工业. 2009(06)
[9]Effects of fibrous fillers on friction and wear properties of polytetrafluoroethylene composites under dry or wet conditions[J]. Huaiyuan Wang, Xin Feng, Yijun Shi, Xiaohua LuState Key Laboratory of Materials-oriented Chemical Engineering, Nanjing University of Technology,Nanjing 210009, China. China Particuology. 2007(06)
[10]PEEK的特性及应用[J]. 付国太,刘洪军,张柏,韩光鹤. 工程塑料应用. 2006(10)
博士论文
[1]三维机织复合材料拉伸和剪切损伤与失效分析[D]. 刘刚.哈尔滨工业大学 2019
[2]CFRP层合板低速冲击行为与损伤机理研究[D]. 肖琳.哈尔滨工业大学 2019
[3]高性能织物增强聚四氟乙烯复合材料摩擦学性能研究[D]. 刘沛.复旦大学 2013
硕士论文
[1]PTFE纤维织物自润滑复合材料的制备与性能研究[D]. 王媛.哈尔滨工业大学 2019
[2]三维编织碳纤维增强聚醚醚酮复合材料的制备及性能研究[D]. 许小海.天津大学 2012
[3]混杂纤维复合材料夹芯结构静载下数值模拟[D]. 王孟孟.哈尔滨工业大学 2011
本文编号：3544447
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