熱塑性聚酰亞胺材料摩擦行為研究.pdf

1、自50年代聚酰亞胺問世，所成功開發(fā)并產(chǎn)業(yè)化的特種工程塑料主要有聚酰亞胺、聚苯硫醚、聚砜、聚醚醚酮等。其中，聚酰亞胺是指主鏈上含有酰亞胺環(huán)的一類聚合物，其具有耐高、低溫、耐溶劑、耐輻射性能，突出的力學(xué)強(qiáng)度和介電性能等，現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于汽車、電子、電器等許多高新技術(shù)領(lǐng)域。而可熔融加工的熱塑性聚酰亞胺可有效改善材料的加工性能、降低制造成本，受到廣泛關(guān)注。
　　 大量研究表明，聚酰亞胺的摩擦性能僅次于聚四氟乙烯，在干摩擦下與金屬對摩時，

2、可以向?qū)δγ姘l(fā)生轉(zhuǎn)移，起到自潤滑作用，并且靜摩擦系數(shù)與動摩擦系數(shù)很接近，防止爬行的能力好，從而被廣泛應(yīng)用于關(guān)鍵耐磨部件軸承、閥片及止推墊片等的基體材料。當(dāng)前，全球面臨資源、環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展的嚴(yán)重問題。我國能源短缺的問題也十分突出，能源利用率僅32-34％，遠(yuǎn)低于發(fā)達(dá)國家。面對上述形勢、走科技含量高、經(jīng)濟(jì)效益好、資源消耗低的新型工業(yè)化道路是我國的基本國策，從而為聚合物材料摩擦學(xué)的發(fā)展提供了機(jī)遇和挑戰(zhàn)。
　　 結(jié)合實(shí)際工況，通過復(fù)合

3、改性，優(yōu)化材料組成，可進(jìn)一步改善聚酰亞胺材料摩擦磨損性能，從而為軍工、民用提供各種減摩和耐磨專用料。同時，聚合物基材料摩擦磨損行為不同于傳統(tǒng)金屬材料，其理論研究對提高相關(guān)產(chǎn)品的使用性和可靠性，降低原材料及能源的損耗，豐富摩擦學(xué)理論具有重要意義。為此，本文以以國內(nèi)自主開發(fā)的高性能熱塑性聚酰亞胺為研究對象，通過復(fù)合改性改善材料摩擦磨損性能，具體工作如下：
　　 (1)復(fù)合材料的摩擦磨損性能與實(shí)際工況密切相關(guān)，其對于填料種類及其含量的

4、篩選具有顯著影響。為此，采用不同含量石墨填充改性熱塑性聚酰亞胺，測定了干摩擦和三種典型油潤滑條件下材料的摩擦磨損性能。結(jié)果表明，干摩擦條件下石墨起到良好的潤滑作用，摩擦系數(shù)隨著石墨含量的增大穩(wěn)步降低。油潤滑條件下潤滑油性質(zhì)起主要作用，石墨含量對摩擦系數(shù)影響較小，石墨含量15％時磨損率相比干摩擦明顯降低，隨含量進(jìn)一步提高，材料耐磨性能變化并不明顯。
　　 (2)不僅填料的種類、含量對材料摩擦磨損性能有影響，而且同種填料不同形貌尺寸

5、也可對其產(chǎn)生作用。為此，選用不同形狀及尺寸的玻璃質(zhì)剛性填料填充改性熱塑性聚酰亞胺；考察了材料的力學(xué)性能，通過有限元方法模擬了復(fù)合材料應(yīng)力分布。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合環(huán)境介質(zhì)(干摩擦、水潤滑與油潤滑)影響因素，研究材料的摩擦磨損行為。結(jié)果表明，剛性玻璃質(zhì)填料的加入使材料韌性有所下降，而球形顆粒易產(chǎn)生應(yīng)力集中及裂紋，材料沖擊強(qiáng)度下降明顯。由于熱模壓工藝，纖維填料具有一定的取向性，可有效傳遞載荷和吸收能量，從而具有較高的沖擊強(qiáng)度。大尺寸填料的耐磨性

6、優(yōu)于小尺度填料填充材料。在水和油起到良好冷卻潤滑作用下，球形顆粒易出現(xiàn)應(yīng)力集中，疲勞裂紋向四周擴(kuò)展、交匯，從而產(chǎn)生疲勞磨損。摩擦表面的球形顆?？梢园l(fā)生滾動，有效降低摩擦系數(shù)。
　　 (3)除材料本身物性影響摩擦磨損行為，其它如載荷、速度等工況參數(shù)也對材料最終使用具有影響。通過正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和方差分析，系統(tǒng)考察了工況(溫度、速度及載荷)對碳纖維增強(qiáng)熱塑性聚酰亞胺摩擦磨損行為的影響。研究表明：隨著溫度升高，分子鏈相對滑移增強(qiáng)，體現(xiàn)出良

7、好的自潤滑特性，材料的摩擦系數(shù)和磨損率均有所下降；排除摩擦熱的干擾，方差分析表明載荷、速度及其交互作用對材料摩擦磨損行為影響不顯著。載荷的改變對材料抗剪切強(qiáng)度無明顯作用，材料摩擦磨損性能穩(wěn)定；隨速度的增加，摩擦系數(shù)出現(xiàn)先增后減的變化。
　　 (4)材料的摩擦磨損行為隨時間變化可分為磨合期和穩(wěn)定期，其兩個階段材料摩擦磨損行為存在明顯差別。兩個階段分別對應(yīng)典型制動部件和滑動部件的運(yùn)動形式。由于材料磨損磨合期較短和觀測方法有限，磨損磨

8、合期與穩(wěn)定期的研究相對較為缺乏。為此，改進(jìn)MPX-2000摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，在線測定材料摩擦磨損性能?？疾炝溯d荷、滑動速度和對偶面粗糙度等工況條件對熱塑性聚酰亞胺復(fù)合材料摩擦磨損性能的影響。研究表明：在線測定法與傳統(tǒng)稱重法測定的材料磨損量基本一致。在線測定結(jié)果發(fā)現(xiàn)：在材料穩(wěn)定磨損階段，隨著載荷的增大，材料磨損率增加而摩擦系數(shù)降低；隨著滑動速度的增大，材料磨損率增加，但其對摩擦系數(shù)影響不明顯。高速下主要是嚴(yán)重的粘著磨損和疲勞磨損；同時發(fā)現(xiàn)磨