碳纖維-尼龍6復(fù)合材料的改性與摩擦磨損特性研究.pdf

1、工程塑料具有質(zhì)輕、耐腐蝕、易成型加工等優(yōu)點，在機械、電子等領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛，隨著應(yīng)用的深入，工程塑料在力學、摩擦磨損等性能不足的問題日益突出，如何提高力學性能和改善摩擦磨損特性成為亟待解決的關(guān)鍵問題。本文針對碳纖維/尼龍6復(fù)合材料的力學和摩擦磨損特性，圍繞兩種長度碳纖維增強、填料填充改性和聚合物基體改性三個方面對碳纖維/尼龍6復(fù)合材料的力學性能及摩擦磨損特性的影響進行系統(tǒng)研究。論文進行了如下研究工作：
　　 (1)兩種不同長度

2、的碳纖維應(yīng)用于尼龍6(PA6)的增強改性。結(jié)果表明，較長碳纖維(SCF)對復(fù)合材料強度、剛性和硬度提高較明顯，其中強度增幅可達117％，模量增幅達到422％，硬度增幅達17％，而較短纖維(CFP)對韌性提高更突出，其增幅可達243％；添加碳纖維后，PA6復(fù)合材料摩擦穩(wěn)定性下降，摩擦系數(shù)在0.21～0.24之間(2000 rpm，20 N)，PA6/SCF耐磨性能提高明顯，SCF含量為20 wt.％時耐磨性能突出，其磨損率僅為4.36×1

3、0-5 mm3/Nm(2000 rpm，20N)，而PA6/CFP耐磨性能下降。PA6/SCF復(fù)合材料磨損機制以粘著磨損為主，纖維含量增加有助于減緩粘著磨損。PA6/CFP磨損機理以磨粒磨損為主，CFP添加量增加，磨粒磨損程度增大。隨著載荷、轉(zhuǎn)速和工作溫度的升高，PA6/SCF和PA6/CFP摩擦系數(shù)降低、磨損率增大，纖維較長時摩擦性能下降幅度較小。總體而言，較長碳纖維對PA6的力學、減摩耐磨能力提高優(yōu)于較短纖維，尤其在較高載荷、轉(zhuǎn)速和

4、工作溫度下，較長碳纖維增強尼龍6復(fù)合材料的摩擦學性能遠強于較短碳纖維。
　　 (2)填充石墨(Gr)使PA6/SCF復(fù)合材料強度、模量、沖擊韌性和拉伸韌性一定幅度提高，CFP僅對復(fù)合材料沖擊韌性具有一定改善作用，CFP和石墨填充均使PA6/SCF復(fù)合材料摩擦穩(wěn)定性小幅下降，摩擦系數(shù)增大，磨損率小幅降低。與CFP填充相比，石墨填充復(fù)合材料摩擦穩(wěn)定性高，摩擦系數(shù)和磨損率均較低，PA6/SCF-Gr摩擦系數(shù)在0.22～0.24之間(2

5、000 rpm，20 N)，磨損率在4.35～5.75×10-5mm3/Nm之間(2000 rpm，20 N)，石墨含量為5.0wt.％時耐磨性能較未填充Gr的PA6/SCF提高幅度可達30％(2000 rpm，20 N)。隨著載荷、速度和溫度的升高，PA6/SCF-CFP和PA6/SCF-Gr復(fù)合材料摩擦系數(shù)均小幅降低，磨損率顯著增大。隨著CFP填充量的增加，PA6/SCF-CFP復(fù)合材料的磨損機制由粘著磨損轉(zhuǎn)為磨粒磨損，Gr填充的P

6、A6/SCF-Gr磨損機制為粘著磨損?？傊?，石墨填充對PA6/SCF復(fù)合材料力學和摩擦學性能的提升作用全面強于CFP填充。
　　 (3)對PA6-CFP復(fù)合材料采用聚苯硫醚(PPS)改性可提高PA6-CFP復(fù)合材料的機械強度、剛性和硬度，熱塑性聚氨酯彈性體(TPU)改性對韌性提高明顯。PA6/PPS-CFP復(fù)合材料摩擦穩(wěn)定性較低，但耐磨能力遠強于PA6/TPU-CFP復(fù)合材料。對PA6-CFP復(fù)合材料進行剛性和硬度改性較韌性改性

7、更有利于改善復(fù)合材料的耐磨能力。載荷和轉(zhuǎn)速增大，PA6/PPS-CFP和PA6/TPU-CFP復(fù)合材料的摩擦系數(shù)均降低，PA6/PPS-CFP復(fù)合材料耐磨能力下降，而PA6/TPU-CFP復(fù)合材料則表現(xiàn)出一定減摩耐磨特性。磨損表面形貌特征顯示，PA6/PPS-CFP復(fù)合材料的磨損方式以粘著磨損為主，而PA6/TPU-CFP復(fù)合材料以磨粒磨損為主。
　　 (4)綜合基體改性(PPS、TPU)和填充改性(CFP、Gr)對PA6/SC

8、F復(fù)合材料的摩擦磨損性能，可得到石墨與SCF復(fù)合增強可發(fā)揮協(xié)同減磨作用，其磨損率下降幅度可達30％，耐磨性能較PA6/SCF復(fù)合材料及。PPS、TPU改性更突出。
　　 (5)材料改性方法、力學性能與摩擦磨損性能之間關(guān)系研究表明，PA6/CF復(fù)合材料摩擦磨損性能與力學性能密切相關(guān)，提高復(fù)合材料的強度、模量和硬度更有利于改善復(fù)合材料的耐磨性能?；w改性和填充改性后，PA6/CF復(fù)合材料力學性能與摩擦磨損特性的關(guān)系受到改性聚合物或填

9、料特性的影響。
　　 上述研究結(jié)果揭示了兩種長度碳纖維增強對尼龍6復(fù)合材料的力學和摩擦磨損性能的改性規(guī)律和機制，首次采用基體改性與纖維增強相結(jié)合的方法改善PA6的力學性能和摩擦磨損性能。闡明了不同改性方法下尼龍6復(fù)合材料的磨損機制，得到了材料改性方法、力學性能與摩擦磨損特性之間的關(guān)系與規(guī)律，得出不同改性方法可實現(xiàn)尼龍6復(fù)合材料不同力學特性和摩擦磨損特性調(diào)控，為制備和開發(fā)力學性能和摩擦磨損性能優(yōu)異且其性能可設(shè)計的碳纖維/工程塑料復(fù)