| 特殊工况下的聚酰亚胺自润滑复合材料设计及摩擦磨损机理研究 | |
| 段春俭 | |
| Thesis Advisor | 王廷梅 ; 王齐华 |
| 2020-06-01 | |
| Degree Grantor | 中国科学院大学 |
| Place of Conferral | 北京 |
| Degree Name | 理学博士 |
| Degree Discipline | 物理化学 |
| Keyword | 特殊工况 聚酰亚胺复合材料 高低温环境 原子氧及γ射线辐照 摩擦磨损机理 Special conditions Polyimide composites High-low temperature Atomic oxygen and γ-ray irradiation The mechanism of friction and wear. |
| Abstract | 聚合物自润滑复合材料除具有良好的自润滑特性外，还兼具有轻质、高强度、 比模量大、耐腐蚀、成型方便和良好的化学稳定性等特点，被广泛应用于航空航天、机械、石油、化工等领域。近年来，随着工业的飞速发展，特殊工况的需求对作为运动部件的聚合物自润滑材料提出了新的挑战，例如要求其具备高、低温润滑性能、耐各种空间环境辐射及耐重载高速等。聚酰亚胺以其突出的结构可设计性、高的热稳定性、优异的机械性能、抗辐射和耐溶剂性能以及自润滑特性，为特殊工况下的聚合物自润滑材料设计提供可能。本文面向特殊工况下应用的聚酰亚胺自润滑复合材料需求，首先围绕“材料设计-结构-性能”的关系制备了系列聚酰亚胺，探讨了聚酰亚胺的结构与摩擦学性能、成型工艺以及耐温性能之间的关系，实现结构与性能、成型参数之间的优化；同时针对聚酰亚胺高、低温条件下较低的耐磨性能以及高的摩擦系数等缺点，利用不同功能填料改性聚酰亚胺润滑性能，系统考察了多相耦合（增强相、固体润滑剂、特种纳米颗粒）以及温度因素对复合材料摩擦学特性的影响规律，阐明了主导转移膜生长的摩擦物理和化学作用，深入揭示了转移膜的形成机制及改变复合材料宏观磨擦学性能的作用机理，建立了转移膜纳米结构影响其承载能力和高低温润滑特性的微观模型；此外，开展不同空间环境对聚酰亚胺自润滑复合材料摩擦学性能影响的研究，揭示了原子氧、γ射线辐照与聚酰亚胺以及复合材料相互作用机理，深化理解了空间 辐照环境下的聚合物自润滑复合材料高低温长效润滑机制，对扩宽聚酰亚胺自润 滑材料在空间科学领域的实际应用具有重大的指导意义。主要研究内容和结论如下：（1）实现聚酰亚胺结构与摩擦学性能、成型工艺以及耐温性能优化。通过合成不同构象的聚酰亚胺分子链，分析了单体结构对热塑性聚酰亚胺材料的热学性能、机械性能及摩擦学特性的影响规律，阐明了热塑性聚酰亚胺的摩擦学性能 与大分子链的物理缠结以及π-π相互作用关系，发现对称性二胺单体在合成聚酰亚胺分子链中的占比越高，不仅提高了材料的热学性能，还可以明显改善其摩擦磨损性能；而分子量、交联度、单体构型等对热固性聚酰亚胺的溶解性能、热学性能以及成型工艺等具有重要的影响。适度增加分子量和交联度能够有效调控玻 璃化转变温度，得到不同耐温性能的热固性聚酰亚胺材料，而单体构型的改变有助于成型工艺的优化。（2）考察了多相耦合（增强相、固体润滑剂、特种纳米颗粒）以及高温（室 温~350℃）因素对聚酰亚胺复合材料摩擦学特性的影响规律。转移膜中高模量、高硬度的g-C3N4 在摩擦过程中起到了良好的承载效果，有效降低了聚酰亚胺材料的高温磨损。而芳纶纤维优化后的TPI复合材料表现出极低的摩擦系数和磨损率，主要归结于其优异的界面粘合强度和其独特的有机成分。除此之外，与层状石墨固体润滑剂相比，纳米颗粒可以有效地减少对偶材料的氧化，高温条件下易于形成坚固的转移膜。相比之下，层状的石墨固体润滑剂有利于降低聚酰亚胺复 合材料的磨损率（WR）和摩擦系数（COF）。而聚酰亚胺复合材料经过 Ag-Mo 杂化的软金属改性之后，在低于 100 ℃的环境温度表现出了优异的抗磨减摩性能。 根据不同温度下 Ag和 Mo不同的扩散系数和迁移率，模拟了不同温度条件下的转移膜形成机理，建立了具有不同组分的类“三明治”结构的转移膜模型，并结合HR-TEM和EDXS分析证实。（3）探究热塑性聚酰亚胺合金PPI&YS-20及复合材料的低温（123K~289K） 摩擦学学性能及磨损机理。我们发现以较弱的分子链间物理相互作用的热塑性聚酰亚胺摩擦系数远低于高度化学交联的热固性聚酰亚胺。低温条件下的热塑性聚酰亚胺的磨损机理以塑性变形为主。而塑性变形的程度决定了摩擦副之间实际接触面积的大小，间接影响了材料宏观的摩擦系数。进一步分别制备不同固体润滑剂石墨与PTFE改性的聚酰亚胺复合材料，通过对比低温条件下的摩擦磨损性能，发现PTFE改性的聚酰亚胺复合材料表现出了优异的低温润滑性能，摩擦系数低至0.07。相比石墨固体润滑剂，PTFE改性之后聚酰亚胺复合材料的摩擦系数降低了至少46.1 %，同时兼具优异的耐磨性能。（4）开展了辐照环境下的聚酰亚胺自润滑复合材料的摩擦学性能研究。首先，探究不同固体润滑剂的耐原子氧性能，发现耐高温的有机g-C3N4 具有良好的耐原子氧性能，可以与无机材料SiO2相媲美。其次，探究由其改性后的多相耦合聚酰亚胺自润滑复合材料的辐照性能，发现制备得到的自润滑复合材料不仅 表现出了优异的耐原子氧及γ射线辐照性能，而且在经过原子氧和γ射线辐照后其仍然具有一定的高温润滑性能。推测这一现象的出现与辐照引起的聚酰亚胺及 复合材料表面结构变化有关。 |
| Language | 中文 |
| Document Type | 学位论文 |
| Identifier | http://ir.licp.cn/handle/362003/27362 |
| Collection | 中国科学院材料磨损与防护重点实验室/先进润滑与防护材料研究发展中心 |
| 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 | 段春俭. 特殊工况下的聚酰亚胺自润滑复合材料设计及摩擦磨损机理研究[D]. 北京. 中国科学院大学,2020. |
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