稀土溶液改性PBO纖維增強(qiáng)聚酰亞胺復(fù)合材料界面作用機(jī)理及其摩擦學(xué)性能研究.pdf

1、作為一種由芳雜環(huán)與苯環(huán)共同構(gòu)成的剛棒狀高分子聚合物，聚對(duì)苯撐苯并雙噁唑(PBO)纖維具有優(yōu)異的力學(xué)、減摩耐磨、阻燃及耐高溫性能，其比強(qiáng)度和比模量位于各種纖維前列，在國(guó)防軍事和航空航天等領(lǐng)域中被視為高性能樹(shù)脂基復(fù)合材料的新一代增強(qiáng)纖維。然而，PBO纖維表面呈化學(xué)惰性且非常光滑，難以與樹(shù)脂基體形成良好的浸潤(rùn)和有效的化學(xué)鍵合，極大地限制了其在高性能復(fù)合材料領(lǐng)域的應(yīng)用。因此，開(kāi)展PBO纖維表面改性工作，改善其與樹(shù)脂基體之間的界面粘接性能，成為P

2、BO纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料(PFRC)的研究重點(diǎn)。
　　本論文根據(jù)PBO纖維表面性質(zhì)和稀土元素特殊的化學(xué)特性，采用稀土溶液對(duì) PBO纖維進(jìn)行表面改性處理，以改善 PBO纖維/聚酰亞胺(PBO/PI)復(fù)合材料的界面粘接性能，從而有效地提高了PBO/PI復(fù)合材料的力學(xué)及摩擦學(xué)性能。
　　第一，采用稀土溶液（RES）對(duì)PBO纖維進(jìn)行表面改性處理，制備PBO/PI復(fù)合材料。通過(guò)常規(guī)力學(xué)性能測(cè)試及試樣斷口SEM分析，研究RES改性工藝

3、和PBO/PI復(fù)合材料力學(xué)性能之間的關(guān)系，確定了RES的最佳濃度值。結(jié)果表明：與硅烷偶聯(lián)劑改性處理方法相比，RES改性處理在常溫和高溫環(huán)境中更加有效地提高了PBO/PI復(fù)合材料的力學(xué)性能，且高溫條件下，RES改性PBO/PI復(fù)合材料的力學(xué)性能常溫保持率更高。
　　第二，采用傅立葉變換紅外光譜（FT－IR）及 X射線光電子能譜（XPS）分析技術(shù)，對(duì)RES改性處理前后PBO纖維表面的化學(xué)狀態(tài)進(jìn)行表征，建立了RES改性PBO/PI復(fù)合材

4、料界面層的結(jié)構(gòu)模型，闡明了RES對(duì)PBO纖維表面改性的作用機(jī)理。結(jié)果表明：RES改性方法通過(guò)稀土離子的配位化學(xué)反應(yīng)，增加了 PBO纖維表面含氧極性官能團(tuán)的濃度；當(dāng)PBO纖維與PI樹(shù)脂復(fù)合時(shí)，稀土離子可以與PI分子鏈上的含氧基團(tuán)繼續(xù)發(fā)生配位化學(xué)反應(yīng)，在纖維與樹(shù)脂基體之間產(chǎn)生配位鍵合，使PBO纖維與PI樹(shù)脂基體之間的界面具有強(qiáng)韌性結(jié)構(gòu)，從而使PBO/PI復(fù)合材料力學(xué)性能得到顯著改善。
　　第三，研究了常溫環(huán)境中法向載荷、滑動(dòng)速度和潤(rùn)滑

5、條件等因素對(duì)RES改性 PBO/PI復(fù)合材料摩擦學(xué)性能的影響。結(jié)果表明：在干摩擦條件下，復(fù)合材料摩擦系數(shù)隨滑動(dòng)速度和載荷的增加而下降，而其比磨損率均呈上升趨勢(shì)；油摩擦條件下，復(fù)合材料摩擦系數(shù)隨滑動(dòng)速度的增加而下降，隨載荷的增加而上升，但其比磨損率均呈下降趨勢(shì)。在相同的試驗(yàn)條件下，RES改性 PBO/PI復(fù)合材料的減摩耐磨性能優(yōu)于硅烷偶聯(lián)劑改性復(fù)合材料。
　　第四，考察了130℃和260℃環(huán)境中RES改性PBO/PI復(fù)合材料的摩擦學(xué)

6、性能。結(jié)果表明：在相同的法向載荷和滑動(dòng)速度下，復(fù)合材料在260℃環(huán)境中的摩擦系數(shù)均低于其在130℃環(huán)境中的摩擦系數(shù)，但比磨損率均有所增加。與硅烷偶聯(lián)劑改性處理相比，RES改性 PBO/PI復(fù)合材料在相同試驗(yàn)條件下均具有最佳的減摩耐磨性能。
　　第五，探討了RES改性PBO/PI復(fù)合材料減摩耐磨性能得以提高的機(jī)理。RES改性方法使 PBO/PI復(fù)合材料界面具有粘接強(qiáng)度高、韌性強(qiáng)和耐高溫等特點(diǎn)，摩擦過(guò)程中PBO纖維承擔(dān)摩擦界面間主要載