聚合物基复合材料的摩擦学性能研究及其数值模拟

发布时间：2020-05-20 16:30

【摘要】：现今飞速发展的制造业对复合材料性能的要求越来越高,聚合物基复合材料以其质量轻、性能好、易加工等特点正逐渐取代金属材料成为最具发展潜力的复合材料。本文以改善聚合物基复合材料的摩擦学性能、节约实验成本为目标,开展了填料改性、耐磨性增强、有限元模拟等基础性研究,制备了两种聚偏氟乙烯(PVDF)基、一种环氧树脂(EP)基减磨耐磨复合材料,并通过FT-IR、DSC、XRD、TG、SEM等表征手段探究了相关机理。此外,本文还运用ANSYS有限元分析软件建立了新颖的二维模型,通过对材料内部热-应力耦合场的分析来预测实验结果,揭示了样品在摩擦过程中的减磨耐磨机理。论文的主要内容总结如下:(1)该实验以PVDF为基体,硫酸提纯过的硅藻土为增强材料,采用化学改性和真空浸渍的方法将含有不同形貌改性纳米氧化铈的润滑油注入到硅藻土中,利用摩擦磨损试验机和邵氏硬度计来探究改性纳米氧化铈/含油硅藻土/PVDF复合材料的摩擦学性能和邵氏硬度,同时运用FT-IR、DSC、TG、XRD、SEM等表征手段来探究改性情况和相关机理。实验结果表明经过硬脂酸改性后,硅藻土的吸油能力有了一定提升,棒状改性纳米氧化铈对PVDF材料的摩擦学性能影响较大,而球状改性纳米氧化铈对材料的结晶性和邵氏硬度影响较大。(2)该实验以PVDF为基体,以聚砜微胶囊和碳纤维为增强材料,采用模压烧结、熔融共混的方法制备了微胶囊/PVDF和微胶囊/碳纤维/PVDF复合材料,探究了微胶囊和碳纤维对PVDF材料的不同影响。同时通过TG和SEM等表征手段了解复合材料内部的微观结构,在其基础上首次建立了相应的二维模型,并用ANSYS有限元分析软件辅助探究材料在实验过程中的减磨耐磨机理以及两种增强材料间的协同作用,对今后类似的含有微胶囊和碳纤维的摩擦学实验体系起到了一定的启示作用。(3)通过将不同粒径的脲醛树脂微胶囊与四乙烯五胺固化剂、E51环氧树脂相混合,并在室温下固化得到不同粒径的脲醛树脂微胶囊/EP复合材料,来探究不同粒径的微胶囊在不同条件下对环氧树脂基复合材料摩擦学性能的影响,同时运用数值模拟的方法探究了不同粒径的微胶囊对基体内部热-应力分布的影响。实验和模拟结果都表明在负载强度不变的情况下,随着滑动速度的增加,样品的摩擦系数、磨损率和接触面温度都随之增加,并且粒径较小的微胶囊更大地提升了复合材料的摩擦学性能,而粒径较大的微胶囊对模拟结果的影响也更大。
【图文】：

磨损形式

这类材料正逐渐变为人类社会中不可或缺的材料，并且有着广阔的发展前景和越来越高的应用价值。1.1.3 聚合物基复合材料在摩擦学中的应用材料的磨损形式主要可以分为四种：粘着磨损、磨粒磨损、疲劳磨损和腐蚀磨损。如图 1.1 所示，粘着磨损又称咬合磨损，是由于当材料和摩擦副发生相对滑动时，接触面上存在的局部凸起可能在微小载荷下就超过了其屈服极限，从而导致材料发生了塑性形变，致使材料与摩擦副两侧的原子足够接近，发生粘着，形成了粘结点，而伴随着摩擦过程的不断进行，粘结点持续地形成、断开，进而导致了材料的粘着磨损[8]。磨粒磨损是指在摩擦过程中，材料表面上具有的坚硬粗糙峰或硬质颗粒引起了材料的刮削脱落现象。疲劳磨损是指在长时间的交变接触应力的作用下，两个接触面会渐渐产生小块状或小片状的剥落，从而导致了材料的疲劳磨损，宏观表现在磨损面上出现很多针状或球状的凹坑，并且伴有疲劳裂纹的痕迹。腐蚀磨损又被称为化学磨损，是指摩擦副与周围环境中的介质发生化学反应从而引起的腐蚀现象，在摩擦过程中，腐蚀性产物通常会加速脱离材料的表面，不断将深层次的基体暴露出来，并继续与介质发生化学反应致使更大范围的腐蚀磨损。

工业制品

第一章文献综述可浸泡于各种化工液中，并且相比于金属轴承质量较轻，符合当今工业轻量化的设计理念，成本也更低，注塑加工的方式适合大批量的生产，由于 PVDF 自身有着一定的减震降噪功能，使其在工作过程中没有任何噪音[16]。如图 1.2 所示，PVDF 还可用于制作塑料泵来输送流动或非流动物料，其自身优异的摩擦学性能、耐腐蚀性能和耐候性保证了使用寿命，，可以满足不同的工业要求和各种极端环境，并且运转平稳工作噪音小，适用范围极为广泛[17]。在今后的摩擦学领域中，PVDF 复合材料的高性能化和多功能化将是其研究的重点。
【学位授予单位】：东北石油大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TQ317;TB332

【参考文献】