KMS Lanzhou Institute of Chemical Physics，Chinese Academy of Sciences
| 聚合物复合材料-金属摩擦配副界面物理化学作用的研究 | |
| Alternative Title | 无 |
| 齐慧敏 | |
| Thesis Advisor | 张嘎 ; 王齐华 |
| 2018-05-24 | |
| Degree Grantor | 中国科学院大学 |
| Place of Conferral | 北京 |
| Degree Name | 工学博士 |
| Department | 先进润滑与防护材料研究发展中心 |
| Degree Discipline | 材料学 |
| Keyword | 聚合物复合材料 金属对偶 摩擦界面 转移膜 摩擦化学 Polymer Composites Metal Counterparts Sliding Interface Transfer Film Tribochemistry |
| Abstract | 聚合物复合材料的摩擦学性能与摩擦表面生成转移膜的结构与性能密切相关。聚合物复合材料-金属配副界面作用极其复杂，尤其界面的闪温与应力可诱导材料表面以及界面释放颗粒发生物理和化学反应，对转移膜的生成产生重要影响。深入研究聚合物复合材料-金属配副界面物理化学作用是揭示转移膜的形成和作用机制的关键。本工作对比考察了系列聚合物复合材料-金属配副的摩擦学行为，深入表征了转移膜的纳米结构，重点研究了聚合物基体的分子结构、金属对偶的组成成分以及纳米颗粒填料对摩擦界面物理化学作用的影响规律，深化了对转移膜形成与作用机制等一般性科学问题的理解，为高性能转移膜的可控构筑奠定了基础。基于以上研究结果，设计制备了离子液体改性多孔纳米颗粒，开展了水润滑聚合物复合材料-金属摩擦副界面结构调控的探索性研究。论文工作主要得到以下结论： （1）分别选取超高分子量聚乙烯（UHMWPE）、聚苯硫醚（PPS）以及聚醚酰亚胺（PEI）等几种典型分子结构的聚合物为基体材料，考察了聚合物分子结构对常规复合材料和多元纳米复合材料摩擦学行为的影响规律，考察了聚合物分子结构与界面摩擦化学的关联性，研究发现聚合物分子与金属的螯合反应与金属表面的摩擦氧化对转移膜形成的竞争机制，建立了不同结构聚合物分子链断裂-含氧自由基形成-与金属螯合反应的摩擦化学反应模型，分析认为UHMWPE及PEI与金属发生螯合反应生成的金属-有机化合物提高了转移膜与金属对偶的结合。不同于UHMWPE及PEI的螯合反应，PPS复合材料摩擦过程中在金属对偶表面主要形成了硫化亚铁以及硫酸铁的化合物。 （2）实验发现干摩擦状态高载高速条件下聚酰亚胺（PI）和聚醚醚酮（PEEK）基多元纳米复合材料表现出极低的摩擦与磨损，深入表征了转移膜结构，分析了界面摩擦化学，探讨了转移膜的形成和其导致极低摩擦磨损的作用机制。研究发现，PI和PEEK基多元纳米复合材料在干摩擦40MPa•1m/s条件下，摩擦系数低至0.03-0.04，特征磨损率低至1.2-1.3×10-7mm3/Nm，且干摩擦条件下的摩擦系数显著低于相同配副在油润滑条件下的摩擦系数（0.07-0.08）。分析表明，摩擦过程中聚合物分子链发生断裂并最终与金属对偶发生螯合反应，提高了转移膜与基体的结合强度；释放于摩擦界面的纳米颗粒在高的闪温和应力作用下烧结成膜，提高了转移膜的承载能力；转移膜中残余聚合物颗粒发生明显的分子取向，证明以上纳米结构转移膜具有优异的易剪切特性。 （3）摩擦学特性并非材料的固有性能，而是摩擦副的系统行为，对偶金属的成分对界面摩擦化学以及转移膜结构有直接影响。本工作对比研究了碳纤维增强聚酰亚胺基复合材料分别与不同硬质金属（轴承钢、中碳钢、不锈钢、镀铬及镍铬硼硅涂层）配副时的摩擦行为，考察了金属对偶的组成成分对界面摩擦化学反应以及转移膜结构的影响规律。研究发现金属对偶的摩擦氧化可显著降低转移膜与金属的结合，从而加剧常规复合材料苛刻条件下的摩擦与磨损。与其它铁基对偶相比，聚合物基体更易于与电镀硬铬和镍铬硼硅涂层表面发生螯合反应，因此与其配副时常规复合材料表现出更低的摩擦与磨损。从金属-有机螯合物结合能的角度评价了聚合物与金属对偶的反应活性，分析表明镍基金属有机化合物稳定性最高，这可能是在其表面形成稳定转移膜的主要原因。而多元纳米复合材料的摩擦学性能对金属对偶组成成分的依赖性并不显著，摩擦过程中界面释放的纳米颗粒均可在以上金属表面摩擦烧结成膜，这不但抑制了金属表面的摩擦氧化，形成的纳米结构转移膜也具有很高的承载能力。 （4）与软金属（如铝合金、铜合金等）配副时，复合材料中不可包含高硬度的增强填料（如碳纤维），否则可致使金属对偶的快速磨损，微米尺度芳纶颗粒被证明是优异的增强与耐磨填料。本工作对比研究了芳纶颗粒以及聚四氟乙烯（PTFE）填充的聚酰亚胺复合材料与铝合金、铜合金及轴承钢配副时的摩擦学性能，深入分析了界面的摩擦化学反应以及生成转移膜的结构。研究发现与铜配副时PTFE与金属发生摩擦化学反应并易于形成均匀的转移膜，与铜配副时复合材料的磨损率比与铝和轴承钢配副时低一个数量级。尤其在高载高速条件下，铝合金表面由于不能形成具有保护作用的转移膜，其表面被严重划伤并导致复合材料的极快磨损。在以上复合材料体系中进一步添加纳米颗粒并不能显著提升摩擦学性能。与碳纤维相比，微米尺度芳纶颗粒的弹性模量较低，其与金属表面相对滑动真实接触区域的闪温和应力较低，界面释放的纳米颗粒不能在对偶表面烧结成膜，甚至可导致轻微的三体磨损效应。 （5）基于以上对转移膜形成与作用机制的理解，针对水润滑聚合物-金属摩擦副转移膜不易形成且边界润滑效果较差的现象，设计制备了新型的亲水性离子液体（IL），即（1-甲基-3-(4-乙烯基苄基)咪唑氯盐离子液体（VBIM-Cl），通过原子转移自由基聚合方法将其成功接枝在多孔二氧化硅（SiO2）纳米颗粒表面，得到SiO2-IL纳米复合材料。开展了SiO2-IL作为水润滑添加剂对碳纤维增强聚酰亚胺摩擦学性能影响的探索性研究。研究发现，SiO2-IL作为水润滑添加剂显著降低了复合材料的摩擦系数和磨损率，促使不锈钢对偶表面生成保护性转移膜，避免了摩擦副之间的直接接触，提高了系统的边界润滑效果。假设认为离子液体可促使摩擦表面双电子层的形成以及摩擦化学反应发生，SiO2纳米核的嵌入可提高转移膜的承载能力。 |
| Other Abstract | 无 |
| Document Type | 学位论文 |
| Identifier | http://ir.licp.cn/handle/362003/25240 |
| Collection | 中国科学院兰州化学物理研究所 |
| Affiliation | 1.中国科学院兰州化学物理研究所; 2.中国科学院大学 |
| Recommended Citation GB/T 7714 | 齐慧敏. 聚合物复合材料-金属摩擦配副界面物理化学作用的研究[D]. 北京. 中国科学院大学,2018. |
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