六方氮化硼改善聚醚醚酮摩擦磨损性能的研究
发布时间：2021-01-04 03:56
在日常生活与工业生产中,摩擦是广泛存在的不可避免的现象。其合理的利用给我们带来了许多便利,但另一方面,其带来的损耗也会影响生产效率、提高生产成本、限制生产条件。随着科技水平的发展和对工业生产要求的提高,机械的设计、制造和使用过程中对摩擦现象的关注愈发强烈,如何降低摩擦带来的不利影响、提高器件的精度和使用寿命成为了十分具有实际价值的问题。而减磨耐磨材料的出现和发展则为这个问题提供了一种可行性高的答案。聚醚醚酮（PEEK）作为一种高性能的工程塑料,是一种半结晶型的聚合物,分子链上含有苯环、醚键和羰基,结构规整、耐热性能良好、强度与刚度十分优异、化学稳定性极佳且自润滑性能突出。种种优点使其广泛应用于减磨耐磨领域作为高分子复合材料基体。对于聚醚醚酮的性能改善常常添加纤维、固体润滑剂及硬质材料,其成果也得到了广泛的应用。六方氮化硼（h-BN）又被称作“白石墨”,与石墨具有相同的晶体结构,耐高温、具有高导热性,掺杂六方氮化硼可以提高树脂基复合材料的物理性能和摩擦性能,它的高导热性可以迅速发散由摩擦产生的热量,减少热磨损带来的复合材料摩擦损耗。h-BN具有较为广泛的粒径范围,不同粒径的氮化硼在聚合物...
【文章来源】：吉林大学吉林省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：70 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
聚醚醚酮的主链结构式由于聚醚醚酮主链中具有醚键，增加了链段的柔顺性，另外，长链结构规整，
第一章绪论4呈亚稳相；晶体结构类似石墨的六方氮化硼则在常压下稳定。通过高温高压，可使h-BN转变为c-BN[7-8]。六方氮化硼（h-BN）是氮化硼中一种最常见的晶体形态，属于六方晶系，其层状结构和晶格参数与石墨类似，如图1.2所示。h-BN是典型的各向异性材料，层内原子的杂化方式是sp2共价杂化，层间以弱范德华力结合，因此其层间易发生滑动，层间距为0.335nm，硼原子和氮原子之间的间距为0.142nm。它还表现出显著的离子特性，也因此使得π键中的电子不能离域。因此，区别于作为导体的石墨，h-BN不导电。六方氮化硼性能优异，其中较为突出的性能有以下几点：图1.2六方氮化硼与石墨的晶体结构图（a）六方氮化硼（b）石墨耐高温：六方氮化硼的升华温度为3000℃，处在高温条件下基本无软化现象，在还原气氛中和含氧气氛中的使用温度分别为2000℃和900℃，远高于石墨的氧化温度。超过于900℃时，在含氧气氛条件下，六方氮化硼发生氧化反应，但随后在1300~1500℃温度范围内可以形成致密的B2O3保护膜，阻止了氧化反应的进一步进行。h-BN陶瓷的热膨胀系数非常小，仅次于石英玻璃，在陶瓷材料中最小，为(2.0~6.5)×10-6/℃，且高度的各向异性使h-BN的c轴方向的热膨胀系数远远大于a轴方向。h-BN在高温下强度更好，在1800℃时的强度是其在室温下强度的2倍。较高的导热系数：六方氮化硼具有在面内方向22~25W/(mK)、垂直于平面方向130~150W/(mK)的高导热率，与纯铁近似，且随着温度的升高，其热导率下降的趋势不大。另外，由于h-BN的耐高温特性，因此其热震稳定性好，在从1500℃空冷至室温的情况下，数十次都不会破裂。
第一章绪论5良好的化学稳定性：室温下六方氮化硼不与弱酸和强碱反应，抗酸、碱和耐腐蚀能力强。微溶于热酸，在熔融的NaOH、KOH中才可分解，与多数的熔融金属、玻璃和盐均不发生反应。h-BN不溶冷水，在沸水中缓慢水解，产生少量的硼酸和氮。摩擦系数低：六方氮化硼的自润滑性能好，摩擦系数仅为0.16，且随着温度的增加未有明显改变，因此具有比MoS2和石墨更出色的润滑性能，可以作为耐磨填料与高分子材料复合。进而应对更加恶劣的工业生产条件。优良的介电性能：室温下，六方氮化硼的电阻率高达1016~1018Ωcm，并且在高温条件下绝缘性能卓越，在2000°C，其电阻率仍可达到103Ωcm，是极好的高温绝缘材料。h-BN的击穿电压为30-40kV/mm，是同样条件下氧化铝击穿电压的4倍。此外，其介电常数为3~5，介电损耗低，在10GHz下通常为(2~8)×10-4。由于六方氮化硼在氮化硼中更为常见易得，且在常温呈稳态，在高温条件下性能各方面极佳，因此本文选择了六方氮化硼这种晶体结构的BN来改性PEEK，并主要研究了复合材料在摩擦磨损方面的性能。1.2.3聚四氟乙烯图1.3聚四氟乙烯的结构式聚四氟乙烯(Polytetrafluoroethylene，PTFE)的结构式如图1.3，它在1938年被开发出来并于1950年实现了工业化生产。PTFE的分子链呈螺旋状，分为两层，外层的氟原子将内层的碳链紧密地包裹起来，可以使得C-C主链不被外界所破坏；氟原子具有较大的的电负性，并且相邻的氟原子间会相互排斥，也由此导致了PTFE分子的内聚力极低；碳-氟键很牢固，其键能为460.2kJ/mol……这些内在因素的共同作用，使得PTFE材料具有优异的综合性能，主要表现在以下几个方面：
【参考文献】：
期刊论文
[1]纳米SiO2/CF混杂增强聚醚醚酮复合材料的耐磨性研究[J]. 陈佩民,孙克原. 江苏科技信息. 2013(09)
[2]聚四氟乙烯/聚醚醚酮复合保持架材料性能试验分析[J]. 王枫,孙小波,时连卫. 轴承. 2013(03)
[3]聚酰亚胺粘结MoS2基固体润滑涂层在油介质中的摩擦学性能[J]. 杨瑞杰,冶银平,万宏启,周惠娣,陈建敏. 摩擦学学报. 2011(03)
[4]四针状氧化锌晶须增强聚醚醚酮复合材料的正交试验研究[J]. 戴春霞,李洁,粟洋,龙春光. 润滑与密封. 2011(02)
[5]聚四氟乙烯/聚苯酯耐磨自润滑保持架材料的研究[J]. 孙小波,李建星,时连卫,王子君. 轴承. 2011(02)
[6]氧化锆陶瓷/碳纤增强聚醚醚酮在水润滑下的摩擦磨损特性研究[J]. 唐群国,陈晶申,金文浩. 摩擦学学报. 2010(06)
[7]Sm2O3增强聚四氟乙烯/混杂纤维复合材料的摩擦磨损性能研究[J]. 黄承亚,刘春连,李红. 摩擦学学报. 2006(06)
[8]二硫化钼改性热塑性聚酰亚胺复合材料的摩擦磨损性能研究[J]. 朱鹏,王晓东,黄培,王筱,时钧. 摩擦学学报. 2005(05)
[9]切尔诺贝利事故及其影响与教训[J]. 胡遵素. 辐射防护. 1994(05)
本文编号：2956101
【文章来源】：吉林大学吉林省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：70 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
聚醚醚酮的主链结构式由于聚醚醚酮主链中具有醚键，增加了链段的柔顺性，另外，长链结构规整，
第一章绪论4呈亚稳相；晶体结构类似石墨的六方氮化硼则在常压下稳定。通过高温高压，可使h-BN转变为c-BN[7-8]。六方氮化硼（h-BN）是氮化硼中一种最常见的晶体形态，属于六方晶系，其层状结构和晶格参数与石墨类似，如图1.2所示。h-BN是典型的各向异性材料，层内原子的杂化方式是sp2共价杂化，层间以弱范德华力结合，因此其层间易发生滑动，层间距为0.335nm，硼原子和氮原子之间的间距为0.142nm。它还表现出显著的离子特性，也因此使得π键中的电子不能离域。因此，区别于作为导体的石墨，h-BN不导电。六方氮化硼性能优异，其中较为突出的性能有以下几点：图1.2六方氮化硼与石墨的晶体结构图（a）六方氮化硼（b）石墨耐高温：六方氮化硼的升华温度为3000℃，处在高温条件下基本无软化现象，在还原气氛中和含氧气氛中的使用温度分别为2000℃和900℃，远高于石墨的氧化温度。超过于900℃时，在含氧气氛条件下，六方氮化硼发生氧化反应，但随后在1300~1500℃温度范围内可以形成致密的B2O3保护膜，阻止了氧化反应的进一步进行。h-BN陶瓷的热膨胀系数非常小，仅次于石英玻璃，在陶瓷材料中最小，为(2.0~6.5)×10-6/℃，且高度的各向异性使h-BN的c轴方向的热膨胀系数远远大于a轴方向。h-BN在高温下强度更好，在1800℃时的强度是其在室温下强度的2倍。较高的导热系数：六方氮化硼具有在面内方向22~25W/(mK)、垂直于平面方向130~150W/(mK)的高导热率，与纯铁近似，且随着温度的升高，其热导率下降的趋势不大。另外，由于h-BN的耐高温特性，因此其热震稳定性好，在从1500℃空冷至室温的情况下，数十次都不会破裂。
第一章绪论5良好的化学稳定性：室温下六方氮化硼不与弱酸和强碱反应，抗酸、碱和耐腐蚀能力强。微溶于热酸，在熔融的NaOH、KOH中才可分解，与多数的熔融金属、玻璃和盐均不发生反应。h-BN不溶冷水，在沸水中缓慢水解，产生少量的硼酸和氮。摩擦系数低：六方氮化硼的自润滑性能好，摩擦系数仅为0.16，且随着温度的增加未有明显改变，因此具有比MoS2和石墨更出色的润滑性能，可以作为耐磨填料与高分子材料复合。进而应对更加恶劣的工业生产条件。优良的介电性能：室温下，六方氮化硼的电阻率高达1016~1018Ωcm，并且在高温条件下绝缘性能卓越，在2000°C，其电阻率仍可达到103Ωcm，是极好的高温绝缘材料。h-BN的击穿电压为30-40kV/mm，是同样条件下氧化铝击穿电压的4倍。此外，其介电常数为3~5，介电损耗低，在10GHz下通常为(2~8)×10-4。由于六方氮化硼在氮化硼中更为常见易得，且在常温呈稳态，在高温条件下性能各方面极佳，因此本文选择了六方氮化硼这种晶体结构的BN来改性PEEK，并主要研究了复合材料在摩擦磨损方面的性能。1.2.3聚四氟乙烯图1.3聚四氟乙烯的结构式聚四氟乙烯(Polytetrafluoroethylene，PTFE)的结构式如图1.3，它在1938年被开发出来并于1950年实现了工业化生产。PTFE的分子链呈螺旋状，分为两层，外层的氟原子将内层的碳链紧密地包裹起来，可以使得C-C主链不被外界所破坏；氟原子具有较大的的电负性，并且相邻的氟原子间会相互排斥，也由此导致了PTFE分子的内聚力极低；碳-氟键很牢固，其键能为460.2kJ/mol……这些内在因素的共同作用，使得PTFE材料具有优异的综合性能，主要表现在以下几个方面：
【参考文献】：
期刊论文
[1]纳米SiO2/CF混杂增强聚醚醚酮复合材料的耐磨性研究[J]. 陈佩民,孙克原. 江苏科技信息. 2013(09)
[2]聚四氟乙烯/聚醚醚酮复合保持架材料性能试验分析[J]. 王枫,孙小波,时连卫. 轴承. 2013(03)
[3]聚酰亚胺粘结MoS2基固体润滑涂层在油介质中的摩擦学性能[J]. 杨瑞杰,冶银平,万宏启,周惠娣,陈建敏. 摩擦学学报. 2011(03)
[4]四针状氧化锌晶须增强聚醚醚酮复合材料的正交试验研究[J]. 戴春霞,李洁,粟洋,龙春光. 润滑与密封. 2011(02)
[5]聚四氟乙烯/聚苯酯耐磨自润滑保持架材料的研究[J]. 孙小波,李建星,时连卫,王子君. 轴承. 2011(02)
[6]氧化锆陶瓷/碳纤增强聚醚醚酮在水润滑下的摩擦磨损特性研究[J]. 唐群国,陈晶申,金文浩. 摩擦学学报. 2010(06)
[7]Sm2O3增强聚四氟乙烯/混杂纤维复合材料的摩擦磨损性能研究[J]. 黄承亚,刘春连,李红. 摩擦学学报. 2006(06)
[8]二硫化钼改性热塑性聚酰亚胺复合材料的摩擦磨损性能研究[J]. 朱鹏,王晓东,黄培,王筱,时钧. 摩擦学学报. 2005(05)
[9]切尔诺贝利事故及其影响与教训[J]. 胡遵素. 辐射防护. 1994(05)
本文编号：2956101
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