KMS Lanzhou Institute of Chemical Physics，Chinese Academy of Sciences
| 极端条件下聚醚醚酮和环氧树脂基纳米复合材料摩擦学机理研究 | |
| Alternative Title | 无 |
| 郭丽和 | |
| Thesis Advisor | 张嘎 |
| 2019-05-22 | |
| 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 摩擦学性能 纳米材料 转移膜 Polymer composites Tribological performance Nano-particles Tribofilm |
| Abstract | 随着现代汽车和高端装备技术的迅猛发展，众多运动机构使役工况愈加严苛：载荷高、混合甚至边界润滑时常发生，对材料的使用寿命和可靠性提出更高的要求。聚合物复合材料因具有良好的自润滑特性、比强度高、可设计性强等优异性能，在高端装备领域运动机构的摩擦学设计方面发挥着越来越重要的作用。设计制备高性能聚合物自润滑材料，满足严苛工况条件服役运动机构的使用要求，具有重要的现实意义。 摩擦学理论研究与实践表明界面生长转移膜的结构对聚合物材料摩擦学性能产生重要影响。前人研究表明在常规复合材料中进一步添加纳米陶瓷颗粒大幅提高材料的摩擦学性能，分析认为释放于界面的纳米颗粒促使高性能转移膜生成。深入揭示转移膜的形成与作用机制，获得高性能纳米结构转移膜的构筑原则，是发展高可靠、长寿命聚合物自润滑材料的关键。然而，聚合物材料的转移膜通常极薄、结构极复杂，利用常规定量研究手段，难以深入理解界面物理化学作用本质，这在一定程度上限制了高性能聚合物自润滑材料的设计与制备。 本工作围绕“深入研究转移膜形成机理-调控转移膜结构-设计制备新型自润滑材料”的主线，针对三种典型服役工况：（1）高载高速；（2）高载低速；（3）燃油边界润滑，对比考察不同硬度纳米颗粒对常规聚合物复合材料摩擦学性能的影响规律，定量表征了转移膜的纳米结构，通过耦合硬质和软质纳米颗粒促使高性能转移膜在干摩擦界面迅速生成。调控燃油边界润滑聚合物-金属配副界面摩擦化学，构筑了高性能转移膜。在聚合物基体中引入二维层状纳米片MXene，获得极低的摩擦与磨损。主要研究内容与结论如下： 1.研究了不同硬度、熔点的纳米颗粒对短切碳纤维（SCF）增强的聚醚醚酮（PEEK）复合材料摩擦学性能的影响。考察了纳米颗粒在不同FV（Force×Velocity）条件下对聚合物复合材料摩擦学行为的作用机理。揭示了不同性质的纳米颗粒在不同FV条件下对转移膜的形成和纳米结构的影响机制。发现在低FV时，低熔点nano-Bi2O3颗粒促进均匀转移膜形成，而ZrO2/SCF/PEEK在摩擦过程中容易与金属对偶发生粘着，导致复合材料的摩擦系数和磨损率显著增大。高FV时，高硬度nano-SiO2和nano-ZrO2颗粒在摩擦过程中释放到摩擦副接触界面能够有效去除金属表面的氧化层，在金属对偶表面形成高性能的陶瓷基转移膜。摩擦界面高性能转移膜不仅缓和了摩擦副材料表面的直接刮擦，同时还提高了摩擦界面承载能力，从而提高了PEEK纳米复合材料的摩擦学性能。 2.考察了重载低速条件下功能性填料对传统PEEK复合材料摩擦学性能的影响及不同载荷下聚四氟乙烯（PTFE）、石墨（graphite）和nano-Bi2O3、nano-SiO2颗粒在摩擦过程中对转移膜形成、结构的影响机理。该条件下，高硬度nano-SiO2颗粒可以去除金属对偶表面的摩擦氧化，进而在对偶表面形成高承载的转移膜，从而显著提高了复合材料的耐磨性。然而在低pv（pressure×velocity）条件下，低熔点nano-Bi2O3颗粒在摩擦过程中释放到摩擦界面在转移膜的形成过程中起到烧结助剂的作用，因此提高了传统复合材料的摩擦学性能。低速、极低速条件下，固体润滑剂更易于向金属对偶转移，在摩擦界面发生的摩擦物理、化学反应形成与金属对偶结合力强且易剪切的转移膜。因此，8PTFE/8graphite/C0在本工作所研究的pv范围内均表现出优异的摩擦学性能。 3.研究了在高FV条件下不同性质纳米颗粒及其耦合对PEEK复合材料摩擦学行为的影响。探索了不同性质纳米颗粒及其耦合对转移膜的结构的影响机制及演变机理。揭示了不同硬度纳米颗粒耦合对提高传统PEEK复合材料的摩擦学性能的协同作用机理。复合材料中低熔点nano-Bi2O3、nano-CuO颗粒在摩擦界面作为烧结助剂将高硬度nano-SiO2颗粒及界面其他物质烧结为密实的转移膜。既降低了复合材料的跑合时间，同时提高了摩擦界面的承载力。不同硬度纳米颗粒对改善复合材料摩擦学性能有显著的协同作用，显著降低了传统复合材料的摩擦系数和磨损率。同样，“WS2-SiC”耦合对降低复合材料摩擦系数和磨损率有显著的协同作用。0.3WS2/1SiC/C1在摩擦过程中，释放并烧结在对偶表面的高硬度nano-SiC可以提高转移膜的承载力减小复合材料的磨损率，而转移膜的固体润滑剂具有易剪切特性并大幅降低了传统复合材料的摩擦系数（低至0.021左右）。 4.在低硫柴油润滑状态下，研究了纳米颗粒对环氧树脂（EP）及其复合材料摩擦学行为的影响。探索了边界/混合润滑状态下，纳米颗粒对摩擦界面固体转移膜的形成、结构的影响机理。在贫油条件下，SCF增强的环氧树脂表现出超低摩擦系数和磨损率，并在对偶表面形成了均匀连续的固体转移膜，缓和了摩擦副材料表面的直接刮擦。向SCF/EP中进一步添加nano-Al2O3和nano-AlN颗粒时，环氧树脂的耐磨性发生了数量级的提高。EP复合材料中的nano-Al2O3和nano-AlN颗粒在摩擦过程中释放在摩擦界面上，对摩擦界面堆积的磨屑起到研磨作用并提高固体转移膜中碳材料的有序化结构，降低摩擦副材料的摩擦系数。此外，高硬度纳米颗粒通过提高转移膜的弹性模量增大了转移膜的承载能力，从而减少了复合材料的摩擦磨损。 5.成功制备了二维层状纳米材料MXene，即Ti3C2Tx。研究了低硫柴油润滑状态下Ti3C2Tx及与nano-Al2O3颗粒耦合对环氧树脂摩擦学行为的影响。探索了边界/混合润滑状态下，纳米颗粒与二维层状纳米材料及其耦合对摩擦界面固体转移膜的形成、结构的影响机理。在EP树脂添加3%质量分数的Ti3C2Tx可以将其磨损率降低77%。此外，纳米颗粒nano-Al2O3和二维层状纳米材料Ti3C2Tx对提高环氧树脂摩擦学性能有显著的协同效应。固体转移膜中二维层状结构纳米片的存在，在很大程度上提高了转移膜的易剪切性。同时，释放在摩擦界面的nano-Al2O3将堆积在对偶表面的EP分子断链研磨成短程有序的碳元素降低了摩擦副材料的剪切力。此外，固体转移膜中烧结的nano-Al2O3将在摩擦过程中承载了大部分的载荷，从而降低了摩擦副材料的磨损率。 |
| Other Abstract | 无 |
| Document Type | 学位论文 |
| Identifier | http://ir.licp.cn/handle/362003/25261 |
| 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 | 郭丽和. 极端条件下聚醚醚酮和环氧树脂基纳米复合材料摩擦学机理研究[D]. 北京. 中国科学院大学,2019. |
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| 201953郭丽和.pdf（8258KB） | 学位论文 | 开放获取 | CC BY-NC-SA | View Application Full Text | ||
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