稀土處理芳綸纖維填充環(huán)氧復(fù)合材料的力學(xué)及摩擦學(xué)性能研究.pdf

1、機械設(shè)計及理論的發(fā)展與新材料的發(fā)明和應(yīng)用有密切的關(guān)系，材料的力學(xué)性能和摩擦學(xué)性能研究是當(dāng)今機械設(shè)計及理論的一個重要內(nèi)容。 芳綸/環(huán)氧復(fù)合材料具有高強度、高模量、重量輕等特點，在航空、航天、軍事、機械等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。然而，由于芳綸纖維表面化學(xué)活性低，與環(huán)氧樹脂基體之間的浸潤性差，難以形成有效粘結(jié)。芳綸纖維填充環(huán)氧復(fù)合材料存在界面粘接性能差、層間剪切強度低等缺點，極大地限制了材料性能的發(fā)揮。復(fù)合材料界面性質(zhì)是影響其性能的關(guān)鍵因素

2、，也是復(fù)合材料科學(xué)研究領(lǐng)域的一個熱點。 本論文針對芳綸纖維表面性質(zhì)和目前表面改性處理方法的缺點，利用稀土元素特殊的物理化學(xué)性質(zhì)，對芳綸纖維表面進行改性處理，提高芳綸/環(huán)氧復(fù)合材料的界面結(jié)合力，從而提高復(fù)合材料的力學(xué)性能和摩擦學(xué)性能，取得了原創(chuàng)性的研究成果。 第一，分別采用稀土改性劑(RES)、環(huán)氧氯丙烷(ECP)接枝方法對芳綸纖維進行表面改性處理，通過拉伸、層間剪切性能測試及斷口形貌分析，對比研究了這兩種表面改性方法對于

3、纖維及其復(fù)合材料性能的影響，并且考察了稀土改性劑中稀土元素的最佳含量。結(jié)果表明，RES處理比ECP接枝改性方法更有效地改善了芳綸纖維和環(huán)氧樹脂基體之間的界面結(jié)合力，并且對于芳綸纖維本身的性能沒有損傷。當(dāng)稀土元素的含量為0.5wt％時，復(fù)合材料的力學(xué)性能最佳，其層間剪切強度與未處理相比提高了12.5％。 第二，通過X射線光電子能譜(XPS)分析和傅立葉變換紅外光譜(FT-IR)分析，探討了芳綸纖維表面改性作用的機理。結(jié)果表明，稀土

4、改性劑通過稀土元素的配位化學(xué)反應(yīng)，可以提高纖維表面含氧極性官能團的濃度，并可以在纖維與樹脂基體之間形成化學(xué)鍵合，從而有效提高復(fù)合材料界面結(jié)合力。通過單纖維拔出試驗，進一步證實了稀土改性劑處理能夠提高復(fù)合材料的界面結(jié)合力，并且探討了單纖維拔出的應(yīng)力傳遞模型，計算了平均界面剪切強度。 第三，采用經(jīng)過不同表面改性處理的芳綸漿粕纖維填充環(huán)氧樹脂，制備得到復(fù)合材料，系統(tǒng)地研究了復(fù)合材料在干摩擦、水潤滑條件下的摩擦磨損性能。結(jié)果表明：芳綸漿

5、粕纖維的加入大大提高了材料的抗磨損性能，并且在相同的試驗條件下，稀土改性劑處理的芳綸漿粕纖維填充環(huán)氧復(fù)合材料的摩擦學(xué)性能優(yōu)于未處理及環(huán)氧氯丙烷接枝處理的芳綸漿粕填充環(huán)氧復(fù)合材料。 第四，研究了環(huán)氧樹脂及其復(fù)合材料在干摩擦、水潤滑條件下的磨損機理。干摩擦?xí)r，純環(huán)氧樹脂的磨損機理主要為犁削、塑性變形和粘著磨損；加入芳綸漿粕纖維以后，其復(fù)合材料的塑性變形和粘著磨損大大減少，主要磨損機理為犁削。水潤滑時，由于在摩擦副表面形成水膜，將復(fù)合

6、材料和對摩件表面隔開，水流帶走摩擦熱，阻止了塑性變形和粘著磨損，主要的磨損機理為輕微的磨粒磨損。 第五，探討了纖維表面改性處理對芳綸漿粕/環(huán)氧復(fù)合材料摩擦學(xué)性能影響的作用機理，纖維表面改性處理可改善芳綸漿粕在環(huán)氧樹脂基體中的分散性，防止發(fā)生團聚，提高芳綸漿粕與樹脂基體之間的界面結(jié)合力，在磨損過程中纖維不易從基體中脫出，從而減少了磨粒磨損。 本論文首次利用稀土改性劑對高性能有機纖維進行改性處理，研究了表面改性對于芳綸/環(huán)氧