KMS Lanzhou Institute of Chemical Physics，Chinese Academy of Sciences
| 几种聚合物及其复合材料在深海环境下的摩擦学行为研究 | |
| Alternative Title | 无 |
| 刘昊 | |
| Thesis Advisor | 阎逢元 |
| 2018-05-25 | |
| Degree Grantor | 中国科学院大学 |
| Place of Conferral | 北京 |
| Degree Name | 理学博士 |
| Department | 固体润滑国家重点实验室 |
| Degree Discipline | 物理化学 |
| Keyword | 静压 海水 热塑性聚合物材料 磨损 力学性能 Hydrostatic pressure Seawater Thermoplastic polymers Wear Mechanical strength |
| Abstract | 海洋摩擦学是新兴的摩擦学研究领域，海水环境下材料摩擦学使役性能研究是海洋装备可靠运行的重要技术支撑。热塑性聚合物及其复合材料是理想的海水润滑材料，但是目前对这类材料在深海摩擦工况下的磨损特性、影响因素及失效机制的认识还十分有限。本论文从深海高压环境下热塑性聚合物及其复合材料的吸水老化/机械磨损耦合作用角度开展了研究工作。论文以聚四氟乙烯（PTFE）、聚醚醚酮（PEEK）、超高分子量聚乙烯（UHMWPE）和聚甲醛（POM）四种典型热塑性聚合物润滑材料为研究对象，在对自主研制的模拟深海5000米高压摩擦磨损试验平台进行改进和优化的基础上，研究了热塑性聚合物以及碳纤维、玻璃纤维增强复合材料的吸水状态、对偶金属配副以及运行参数等因素对其摩擦学性能的影响规律，分析了材料在深海高压环境下长期服役过程中吸水老化、力学性能变化等与摩擦磨损特性之间的相关性，解释了海水静压对热塑性聚合物及其复合材料老化/磨损的宏观规律与微观机制，阐明了高压诱导吸水与静压-磨损负反馈两个主要科学问题。主要研究结果如下： 1．聚合物及其复合材料的磨损率与海水静压密切相关并呈指数函数关系，同时受聚合物材质、填料种类、吸水状态、金属配副、载荷、转速等运行条件的影响。在此基础上，提出了海水静压对热塑性聚合物磨损率的正-负竞争机制，由此解释了不同热塑性聚合物的磨损率对海水静压的响应结果。 2.PTFE以及两种纤维增强复合材料在深海环境下的磨损率随海水静压呈指数型上升。海水静压促进了海水向PTFE及其复合材料内部的迁移和扩散，大幅增大了材料的饱和吸水率。在高海水静压的作用下，水分子不仅占据了一些在低压下无法到达的自由体积，而且引起了晶粒的细化和部分解离，造成结晶度的下降。海水静压下的饱和吸水过程造成了PTFE及其复合材料力学强度的下降，但这种下降在相当程度上是可逆的。定量的计算表明，海水静压增大了复合材料基体/纤维相界面处的吸水率，增大了相界面的分离距离。 3.PEEK以及两种纤维增强复合材料在深海下使役性能随海水静压升高而下降，静压增加了PEEK及其复合材料的吸水量和渗透速率。受这种高压诱导吸水影响，PEEK及其复合材料材料的力学性能、耐磨性能均随海水静压的升高而降低。这种变化的根源在于海水静压对PEEK基体的结晶度以及对基体/纤维相界面结合力的损伤。 4.UHMWPE以及两种纤维增强复合材料在深海环境下的使役性能基本不受海水静压影响。尽管海水静压增加了UHMWPE及其复合材料的吸水率，加速了UHMWPE基体的塑化效应和拉伸时的脆化现象，但海水静压对UHMWPE及其复合材料的力学强度影响很小。特别地，CF/UHMWPE的力学强度、磨损率基本不随海水静压升高而降低，有潜力被应用为深海用润滑材料。 5.POM基体在深海环境下发生了化学结晶现象，并进一步为海水静压所促进，主要表现为增大的结晶度、降低的分子量。得益于其化学结晶过程，不同于其它半结晶聚合物材料，聚甲醛及其复合材料的力学强度、磨损率在高静压海水环境下展现出特别的稳定性。海水静压对聚甲醛及其复合材料的吸水行为、结晶结构以及力学强度均有不同程度的影响。海水静压轻微促进了聚甲醛及其复合材料的吸水率。在海水静压下，聚甲醛基体发生了化学结晶过程。 |
| Other Abstract | 无 |
| Document Type | 学位论文 |
| Identifier | http://ir.licp.cn/handle/362003/25269 |
| 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 | 刘昊. 几种聚合物及其复合材料在深海环境下的摩擦学行为研究[D]. 北京. 中国科学院大学,2018. |
| Files in This Item: | ||||||
| File Name/Size | DocType | Version | Access | License | ||
| 201803刘昊.pdf（11145KB） | 学位论文 | 开放获取 | CC BY-NC-SA | View Application Full Text | ||
Items in the repository are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.
Edit Comment