熱塑性聚酰亞胺材料摩擦行為研究.pdf

1、自50年代聚酰亞胺問世，所成功開發(fā)并產(chǎn)業(yè)化的特種工程塑料主要有聚酰亞胺、聚苯硫醚、聚砜、聚醚醚酮等。其中，聚酰亞胺是指主鏈上含有酰亞胺環(huán)的一類聚合物，其具有耐高、低溫、耐溶劑、耐輻射性能，突出的力學強度和介電性能等，現(xiàn)已被廣泛應用于汽車、電子、電器等許多高新技術領域。而可熔融加工的熱塑性聚酰亞胺可有效改善材料的加工性能、降低制造成本，受到廣泛關注。
　　 大量研究表明，聚酰亞胺的摩擦性能僅次于聚四氟乙烯，在干摩擦下與金屬對摩時，

2、可以向對摩面發(fā)生轉移，起到自潤滑作用，并且靜摩擦系數(shù)與動摩擦系數(shù)很接近，防止爬行的能力好，從而被廣泛應用于關鍵耐磨部件軸承、閥片及止推墊片等的基體材料。當前，全球面臨資源、環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展的嚴重問題。我國能源短缺的問題也十分突出，能源利用率僅32-34％，遠低于發(fā)達國家。面對上述形勢、走科技含量高、經(jīng)濟效益好、資源消耗低的新型工業(yè)化道路是我國的基本國策，從而為聚合物材料摩擦學的發(fā)展提供了機遇和挑戰(zhàn)。
　　 結合實際工況，通過復合

3、改性，優(yōu)化材料組成，可進一步改善聚酰亞胺材料摩擦磨損性能，從而為軍工、民用提供各種減摩和耐磨專用料。同時，聚合物基材料摩擦磨損行為不同于傳統(tǒng)金屬材料，其理論研究對提高相關產(chǎn)品的使用性和可靠性，降低原材料及能源的損耗，豐富摩擦學理論具有重要意義。為此，本文以以國內(nèi)自主開發(fā)的高性能熱塑性聚酰亞胺為研究對象，通過復合改性改善材料摩擦磨損性能，具體工作如下：
　　 (1)復合材料的摩擦磨損性能與實際工況密切相關，其對于填料種類及其含量的

4、篩選具有顯著影響。為此，采用不同含量石墨填充改性熱塑性聚酰亞胺，測定了干摩擦和三種典型油潤滑條件下材料的摩擦磨損性能。結果表明，干摩擦條件下石墨起到良好的潤滑作用，摩擦系數(shù)隨著石墨含量的增大穩(wěn)步降低。油潤滑條件下潤滑油性質起主要作用，石墨含量對摩擦系數(shù)影響較小，石墨含量15％時磨損率相比干摩擦明顯降低，隨含量進一步提高，材料耐磨性能變化并不明顯。
　　 (2)不僅填料的種類、含量對材料摩擦磨損性能有影響，而且同種填料不同形貌尺寸

5、也可對其產(chǎn)生作用。為此，選用不同形狀及尺寸的玻璃質剛性填料填充改性熱塑性聚酰亞胺；考察了材料的力學性能，通過有限元方法模擬了復合材料應力分布。在此基礎上，結合環(huán)境介質(干摩擦、水潤滑與油潤滑)影響因素，研究材料的摩擦磨損行為。結果表明，剛性玻璃質填料的加入使材料韌性有所下降，而球形顆粒易產(chǎn)生應力集中及裂紋，材料沖擊強度下降明顯。由于熱模壓工藝，纖維填料具有一定的取向性，可有效傳遞載荷和吸收能量，從而具有較高的沖擊強度。大尺寸填料的耐磨性

6、優(yōu)于小尺度填料填充材料。在水和油起到良好冷卻潤滑作用下，球形顆粒易出現(xiàn)應力集中，疲勞裂紋向四周擴展、交匯，從而產(chǎn)生疲勞磨損。摩擦表面的球形顆?？梢园l(fā)生滾動，有效降低摩擦系數(shù)。
　　 (3)除材料本身物性影響摩擦磨損行為，其它如載荷、速度等工況參數(shù)也對材料最終使用具有影響。通過正交實驗設計和方差分析，系統(tǒng)考察了工況(溫度、速度及載荷)對碳纖維增強熱塑性聚酰亞胺摩擦磨損行為的影響。研究表明：隨著溫度升高，分子鏈相對滑移增強，體現(xiàn)出良

7、好的自潤滑特性，材料的摩擦系數(shù)和磨損率均有所下降；排除摩擦熱的干擾，方差分析表明載荷、速度及其交互作用對材料摩擦磨損行為影響不顯著。載荷的改變對材料抗剪切強度無明顯作用，材料摩擦磨損性能穩(wěn)定；隨速度的增加，摩擦系數(shù)出現(xiàn)先增后減的變化。
　　 (4)材料的摩擦磨損行為隨時間變化可分為磨合期和穩(wěn)定期，其兩個階段材料摩擦磨損行為存在明顯差別。兩個階段分別對應典型制動部件和滑動部件的運動形式。由于材料磨損磨合期較短和觀測方法有限，磨損磨

8、合期與穩(wěn)定期的研究相對較為缺乏。為此，改進MPX-2000摩擦磨損試驗機，在線測定材料摩擦磨損性能?？疾炝溯d荷、滑動速度和對偶面粗糙度等工況條件對熱塑性聚酰亞胺復合材料摩擦磨損性能的影響。研究表明：在線測定法與傳統(tǒng)稱重法測定的材料磨損量基本一致。在線測定結果發(fā)現(xiàn)：在材料穩(wěn)定磨損階段，隨著載荷的增大，材料磨損率增加而摩擦系數(shù)降低；隨著滑動速度的增大，材料磨損率增加，但其對摩擦系數(shù)影響不明顯。高速下主要是嚴重的粘著磨損和疲勞磨損；同時發(fā)現(xiàn)磨