KMS Lanzhou Institute of Chemical Physics，Chinese Academy of Sciences
| IPN 基聚合物微观结构调控及其在水润滑条件下摩擦学行为研究 | |
| Alternative Title | 无 |
| 喻萍 | |
| Thesis Advisor | 张嘎 ; 杨世元 |
| 2018-05-22 | |
| Degree Grantor | 中国科学院大学 |
| Place of Conferral | 北京 |
| Degree Name | 工程硕士 |
| Department | 先进润滑与防护材料研究发展中心 |
| Degree Discipline | 材料工程 |
| Keyword | 聚氨酯/环氧树脂互穿网络 水润滑 转移膜 可水解纳米颗粒 摩擦学性能 PU/EP IPN Water lubrication Tribofilm hydrolyzable nanoparticles Tribological performance |
| Abstract | 水利、水电和船舶装备中越来越多的运动机构直接采用水作为润滑剂，可降低摩擦副设计和维护成本、避免因润滑油泄露导致的水资源污染，具有重要的经济和环保意义。然而，水粘度低，水润滑运动机构频繁处于混合甚至边界润滑区间运转，摩擦副固-固接触承担相当甚至绝大部分载荷，启停扭矩和噪音大，对材料使用寿命和可靠性提出严峻挑战。聚合物材料由于其自润滑特性、化学稳定性高和性能可设计性强等特点，作为水润滑轴承材料具有重要应用潜力。聚合物水润滑轴承材料的弹性模量决定其承载能力，而强度和韧性对其耐磨性能有重要影响。互穿网络结构聚合物（IPN）通过不同单体聚合物之间的强迫互容、界面互穿、协同作用达到均聚物及其它聚合物合金难以达到的效果，为制造特殊性能的聚合物材料提供了崭新的途径。 本工作系统考察了EP（环氧树脂）和PU（聚氨酯）分子摩尔比对互穿网络结构和相分离结构的影响规律，研究了PU/EPIPN微观结构与其宏观摩擦学性能及力学性能的内在关联，得到最佳结构的PU/EPIPN聚合物材料。在此基础之上，在IPN基体中同时引入增强填料（SCF）和可摩擦水解纳米颗粒（SiC，hBN），系统考察了纳米颗粒及其耦合对复合材料摩擦学性能的影响，利用先进的表征手段深入研究了界面生成转移膜的微观纳米结构，深化了对水润滑条件下界面复杂物理化学作用的理解。本研究得到如下结论： 1.PU/EPIPN聚合物的微观结构与组分的化学计量比密切相关。FT-TR(红外光谱)证明了EP和PU形成互穿网络结构。透射电镜(TEM)和原子力显微镜(AFM)分析表明，一些富PU域分布在3PU/7EPIPN基体中。随着PU含量的增加，富EP域也出现，最终在7PU/3EPIPN中形成双连续相结构。与传统改性聚合物不同，将30wt.%PU加入到EP可以同时提高聚合物的模量、拉伸强度、冲击强度以及延展性。结果表明，EP和PU网络的互穿是提高材料力学性能的主要原因。然而，由于相分离结构的不同，进一步增加PU含量会导致模量、拉伸强度和冲击强度降低。 2.特别是在边界润滑条件下，3PU/7EPIPN和5PU/5EPIPN的摩擦学性能明显优于纯EP和PU。结果表明，轻微磨损是PU/EPIPNs的主要磨损机制。在苛刻的边界润滑条件下(100N,0.025m/s)滑动时，与纯EP相比，3PU/7EPIPN的磨损率降低85%；与纯PU相比，磨损率降低94%。但是，当PU含量进一步增加到70wt.%时，摩擦磨损增加，主要磨损机理由轻微磨损转变为粘着磨损。优化调控PU/EPIPN微观结构，在水润滑条件下，PU/EPIPN作为高性能摩擦材料具有很高的应用潜力。 3.可摩擦水解纳米颗粒（h-BN，SiC）的加入，均提高了PU/EPIPN复合材料的模量，结果表明单一2vol.%h-BN、2vol.%SiC可摩擦水解纳米颗粒的添加使PU/EPIPN复合材料具有最高模量，且具有最佳亲水性。 4.SiC可摩擦水解纳米颗粒和碳纤维（SCF）引入提高PU/EPIPN复合材料的摩擦磨损。与单一碳纤维（SCF）增强的复合材料相比，2vol.%SiC的加入提高了转移膜中碳的石墨化程度，从而降低了复合材料的摩擦系数。同时证明了SiC的摩擦化学反应，并在钢表面上形成的转移膜中发现其摩擦化学反应产物（SiO2和H2Si2O5）的存在，其可以增强钢表面转移膜的承载能力从而抵抗摩擦过程中的切向应力。因此，钢表面形成具有承载能力的转移膜在边界润滑及混合润滑区间具有降低PU/EPIPN复合材料摩擦磨损的重要作用。 |
| Other Abstract | 无 |
| Document Type | 学位论文 |
| Identifier | http://ir.licp.cn/handle/362003/25268 |
| 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 | 喻萍. IPN 基聚合物微观结构调控及其在水润滑条件下摩擦学行为研究[D]. 北京. 中国科学院大学,2018. |
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