固体润滑国家重点实验室（LSL）知识库

    热塑性聚酰亚胺（TPI）具有突出的热稳定性、良好的抗冲击、减振降噪、抗辐射和耐溶剂等性能，在高温、高载和高速等极端环境下具有优异的耐磨损性能，是现有摩擦学应用领域中最耐温的聚合物材料。但纯PI在常温时的摩擦系数较大，不宜直接作为自润滑材料使用，而PI的复合改性是拓展其摩擦学应用最直接而有效的途径。本论文以PI的高温摩擦学应用为目的，研究了固体润滑剂（包括聚四氟乙烯、二硫化钼和石墨）及增强填料碳纤维（CF）、碳纳米管（CNT）对PI材料的力学性能和摩擦学性能的影响，考察了填料含量、界面改性、填料协同作用以及不同温度和摩擦条件对复合材料摩擦学性能的影响，得到了以下主要结论：

    1．固体润滑剂的加入改善了PI不同温度下的摩擦磨损性能，但却不同程度的降低了材料的韧性和弯曲强度以及拉伸强度。

    2．增强相CF的加入可以显著提高PI的高温力学性能和热稳定性，改善了PI在不同温度下的耐磨性，高温条件下，复合材料的耐磨性能表现得更加显著，其磨损率仅为纯PI的1.5%左右。这是因为CF具有良好的承载能力和优异的耐磨性，随着磨损的进行，逐渐裸露的CF为PI基体提供了有效的抗磨损保护作用。而高温力学性能的提高增强了复合材料抵抗高温塑性形变的能力，有利于降低磨损。

    3．研究发现，CF/PI复合材料在高温具有极低的摩擦系数，其原因在于转移膜的高温石墨化。CF/PI复合材料的润滑性能与温度和磨损机理密切相关，温度较低时，材料没有表现出润滑性能；但温度高于180oC后，CF/PI复合材料表现出非常优异的自润滑性能，其摩擦系数降至0.1以下。这是因为低温时材料摩擦表面的CF表现为磨粒特性，它作为“第三体”会引起更为严重的摩擦系数增大和磨损加剧的结果；而高温时，磨损的CF磨屑极易向对偶球表面粘着形成转移膜，且在高温和反复剪切作用下，转移膜发生石墨化，为材料提供了润滑性能。

    4．稀土溶液可以对CF表面进行刻蚀，有利于增加CF与PI之间的接触面积和机械嵌合；同时，稀土改性可以使CF表面O、N含量增加，表面极性增大，使得纤维与树脂间的界面结合强度提高，界面的改善是复合材料抗磨性能增加的重要因素。

    5．CNT的加入显著提高了PI的高温热力学性能及高温摩擦磨损性能。研究发现，在260 ℃时，10%CNT/PI的摩擦系数和磨损率仅为纯PI的22%和1%。与不同的金属材料和陶瓷材料配副时，10%CNT/PI复合材料均表现出良好的减摩抗磨性能。

    6．向CF、CNT增强的PI复合材料中添加合适的固体润滑剂可以进一步提高复合材料的减摩抗磨性能，主要归结于增强相可以有效承载滑动接触面的载荷从而抑制PI的磨损，而固体润滑剂由于剪切强度低易于形成转移膜，从而降低摩擦系数，二者之间存在一定的协同效应。