中国科学院材料磨损与防护重点实验室/先进润滑与防护材料研究发展中心知识库

聚酰亚胺因其具有优异的综合性能在航空、航天、电子等领域得到了广泛应用，但是由于受到国外专利技术的保护，许多关键技术仍无法突破。热固性聚酰亚胺相对于热塑性聚酰亚胺具有更高的耐温等级，是耐高温聚合物复合材料首选的树脂基体。尤其是采用苯乙炔基封端的热固性聚酰亚胺，因其良好的加工性能和高温热稳定性受到了广泛的关注。

目前我国耐高温聚酰亚胺的研发水平相对落后，部分耐高温聚酰亚胺仍不能达到技术要求。为满足航空、航天等领域快速发展的要求以及解决热固性聚酰亚胺材料加工窗口窄的问题，自 20世纪70年代中期开始，我国科学家开展了一系列苯乙炔基封端聚酰亚胺纤维织物复合材料的研究工作， 但对于热固性聚酰亚胺模压材料的相关研究较少。本文的研究内容是耐高温聚酰亚胺自润滑复合材料的制备及其摩擦学性能的研究，主要工作内容有：

1. 采用4,4’-联苯醚二酐(ODPA)为二酐，4,4’-二氨基二苯醚(4,4’-ODA)为二胺，以4-苯乙炔苯酐(PEPA)为封端剂制备了不同分子量(理论分子量分别为3000、5000、7000 g/mol)的热固性聚酰亚胺模塑粉，考察了模塑粉分子量对聚合物力学及摩擦学性能的影响。比较了三种热固性聚酰亚胺与单体结构相同的热塑性聚酰亚胺YS20的各项性能，实验结果表明，三种热固性聚酰亚胺比YS20均表现出来更高的弯曲强度和玻璃化转变温度，并且玻璃化转变温度随着模塑粉分子量的升高而降低。这是由于分子量较高模塑粉中封端剂含量较少，聚合物分子链间交联密度降低，分子链间相互作用减弱，从而表现出了较低的玻璃化转变温度。同时热固性聚酰亚胺，由于分子量较高模塑粉中交联密度低，交联后聚合物中键能较小的碳氢单键等含量低，因而表现出较高的起始分解温度。 室温下摩擦实验表明随着模塑粉分子量的增加，聚合物在室温下的摩擦系数及磨损率逐渐降低。然而高温摩擦实验结果表明，随着聚合物玻璃化转变温度的降低，聚合物磨损表面及转移膜形貌的变化发生在较低的温度。

2. 考察了热固性聚酰亚胺与不同材料对偶配副时的摩擦学性能。实验结果表明，聚酰亚胺表现出的不同的摩擦学性能，主要是磨损机理的改变。室温下，由于对偶材料与聚合物结合能力的不同，使得陶瓷对偶表面上不能或不易形成转移膜，而GCr15钢球对偶容易形成转移膜，聚合物均以疲劳磨损为主，并且与GCr15钢球配副时疲劳磨损较为严重。随着温度的升高，陶瓷对偶表面也逐渐有转移膜的形成，聚合物以粘着磨损为主。

3. 研究了以分子量为3000 g/mol的聚酰亚胺模塑粉为基体，以芳纶纤维为增强纤维，以石墨、氮化硼为室温及高温下固体润滑剂制备的聚酰亚胺复合材料在宽温域下的摩擦学性能。结果表明，纳米氮化硼的加入能明显提高材料的抗磨性能。 石墨的加入明显降低了复合材料在室温及较低温度下的摩擦系数及磨损率。与单独使用石墨或氮化硼改性的复合材料相比，两者共同改性时复合材料在高温下也表现出了更好的减摩抗磨性能，磨损表面及转移膜也变得更加光滑。

4. 从聚合物分子链间相互作用力对材料性能影响的角度出发，利用一对同分异构体(4,4’-ODA及3,4’-ODA)的二胺制备了一系列相同分子量的热固性聚酰亚胺。实验结果表明，单体的构型对聚合物的理化性能、力学及摩擦学性能均产生了重大的影响。4,4’-ODA含量较高的聚酰亚胺表现出了较高的玻璃化转变温度、硬度及弯曲强度。并且随着4,4’-ODA 含量的变化，聚合物也表现出了不同的磨损机理：4,4’-ODA含量较高的聚酰亚胺主要以粘着磨损为主，而3,4’-ODA含量较高的聚酰亚胺则以疲劳磨损为主。并且4,4’-ODA 含量较高聚合物的摩擦学性能对载荷及速度的依赖性较小。

5. 为了进一步提高聚酰亚胺的耐热性能，将苯并咪唑结构引入到了相应的热塑性及热固性聚酰亚胺中。实验结果表明，苯并咪唑结构的引入提高了聚合物的玻璃化转变温度及拉伸强度。同时以含苯并咪唑结构的热固性聚酰亚胺模塑粉为基体，制备了相应的复合材料，并考察了不同PV值下纤维长度、纳米颗粒对复合材料摩擦学性能的影响。