仿生多孔PEEK复合材料的制备及其减摩耐磨性能研究

论文摘要

聚醚醚酮（PEEK）是一种性能优良的特种工程塑料。然而,纯PEEK摩擦系数偏高、导热困难、聚热严重,容易引起材料失效,无法适应较高速度、较大载荷工况下的使用。为了使它能在苛刻条件下应用,需对PEEK进行有机共混、纤维增强和纳米、无机微米填充等多种复合改性,进一步改善其摩擦学性能。本论文的主要研究内容和结论总结如下:1.采用模压-滤取和高温真空熔渍工艺制备了自身发汗式润滑耐磨多孔CF/PTFE/PEEK复合材料。考察了致孔剂（NaCl）、PTFE含量及炭纤维层间间距对多孔PEEK复合材料结构和摩擦学性能的影响。结果表明,当PTFE质量分数为20%、NaCl质量分数为30%、炭纤维层间间距为0.4mm所得多孔CF/PTFE/PEEK复合材料摩擦系数和磨损率最低,200N下摩擦系数、磨损率分别为0.0192,3.47×10-16m3/Nm,较经典CF/PEEK复合材料摩擦系数降低了 9倍,耐磨性提高25倍。研究表明,PTFE能形成连续的转移膜,降低了材料摩擦系数;NaCl形成的多孔结构能储存住一定润滑油脂,摩擦过程中在载荷和温度的作用下能形成稳定润滑油膜,明显降低了材料磨损量;炭纤维布起到支撑骨架作用,并协同PTFE,NaCl提高多孔PEEK复合材料减摩耐磨性能。2.采用模压-滤取和高温真空熔渍工艺及纳微多尺度协同设计制备了自身发汗式多级孔ACF/PTFE/PEEK复合材料。考察了介孔活性炭纤维（ACF）、微米级造孔剂（NaCl）含量及载荷对其摩擦学性能的影响。结果表明,当介孔ACF质量分数为8%、NaCl质量分数为30%所得多级孔ACF/PTFE/PEEK复合材料摩擦系数和磨损率最低,载荷为200N时,摩擦系数、磨损率分别为0.0259、5.26×10-16m3/Nm,较经典炭纤维增强PEEK复合材料摩擦系数减少86%,耐磨性提高了 16倍。研究表明,造孔剂（NaCl）形成了大量微米级孔,孔中储存了润滑油脂,而介孔ACF在材料内部形成贯通型三维网络毛细管道,如同人体汗腺机制,使孔中润滑脂在载荷和温度的作用下能在摩擦面上形成较好的润滑油膜,并且ACF能起到部分骨架支撑作用,因而ACF在材料中起到很好的减摩耐磨作用。3.研究了 1-己基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐离子液体润滑多级孔PEEK复合材料的摩擦学性能。考察了速度及载荷对其摩擦磨损性能的影响以及形成润滑油膜的稳定性。结果表明,当速度为0.69m/s,载荷为250N时离子液体润滑多级孔ACF/PTFE/PEEK复合材料摩擦系数和磨损率最低,分别为0.0197、4.145×10-15m3/Nm,并且其摩擦系数只在1.62-2.15×10-2范围内波动。研究表明,离子液体具有优异的摩擦和抗磨损性能,特别是在高速和高载荷的摩擦过程中,其发生了摩擦化学反应,形成均匀、有效的边界润滑膜。用扫描型电子显微镜（SEM）对磨损面和对偶面进行了观察和分析,并对材料进行红外表征,验证在摩擦面形成了由氟化物组成,具有较高抗磨性能和承载能力的边界润滑膜,从而有效地提高了多孔PEEK复合材料的承载能力和抗磨性能。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 创新点摘要
• 前言
• 第一章 文献综述
• 1.1 高分子复合材料
• 1.1.1 高分子
• 1.1.2 高分子复合材料简介与分类
• 1.1.3 填料的作用与种类
• 1.1.4 纤维的作用与种类
• 1.2 PEEK及其复合材料
• 1.2.1 PEEK简介
• 1.2.2 PEEK复合材料
• 1.3 PEEK基自润滑材料的摩擦学研究进展
• 1.3.1 无润滑摩擦（干摩擦）
• 1.3.2 边界润滑摩擦
• 1.3.3 聚合物的摩擦磨损机理
• 1.4 仿生多孔复合材料及其摩擦学
• 1.4.1 多孔聚合物材料简介
• 1.4.2 仿生多孔自润滑聚合物材料
• 1.5 润滑剂特点与选用
• 1.5.1 润滑剂的种类与作用
• 1.5.2 润滑剂在摩擦学中的作用与选择
• 1.6 本文的选题依据及主要研究内容
• 第二章 仿生多孔润滑耐磨CF/PTFE/PEEK复合材料的设计及其摩擦学性能研究
• 2.1 引言
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 实验药品及仪器
• 2.2.2 样品制备
• 2.2.3 样品的表征
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 PTFE含量对PEEK复合材料摩擦磨损性能影响
• 2.3.2 NaCl含量对多孔PTFE/PEEK复命材料摩擦磨损性能影响
• 2.3.3 炭纤维布层间间距对多孔CF/PTFE/PEEK自润滑耐磨复合材料摩擦磨损性能影响
• 2.3.4 多孔CF/PTFE/PEEK自润滑耐磨复合材料与纯PEEK材料、经典CF/PEEK复合材料等材料的摩擦性能对比
• 2.3.5 磨损面及断面SEM分析
• 2.3.6 对偶面SEM分析
• 2.4 本章小结
• 第三章 纳微多级孔ACF/PTFE/PEEK复合材料制备及其发汗式减摩耐磨性能研究
• 3.1 引言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 实验药品及仪器
• 3.2.2 样品制备
• 3.2.3 样品的表征
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 介孔ACF/PTFE/PEEK复合材料微结构
• 3.3.2 介孔ACF/PTFE/PEEK复合材料与其它材料孔结构参数比较
• 3.3.3 ACF含量对介孔ACF/PTFE/PEEK复合材料摩擦磨损性能影响
• 3.3.4 NaCl含量对多级孔ACF/PTFE/PEEK复合材料摩擦磨损性能影响
• 3.3.5 ACF含量对多级孔ACF/PTFE/PEEK复合材料摩擦磨损性能影响
• 3.3.6 多级孔ACF/PTFE/PEEK复合材料与其它复合材料摩擦性能对比
• 3.3.7 复合材料的SEM、OM分析
• 3.4 本章小结
• 第四章 离子液体润滑多级孔发汗式聚醚醚酮复合材料的摩擦学性能研究
• 4.1 引言
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 实验药品及仪器
• 4.2.2 样品制备与表征
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 速度对离子液体润滑多级孔聚醚醚酮复合材料的摩擦磨损性能影响
• 4.3.2 载荷对离子液体润滑多级孔聚醚醚酮复合材料的摩擦磨损性能影响
• 4.3.3 离子液体润滑剂对多级孔聚醚醚酮复合材料摩擦系数稳定性影响
• 4.3.4 离子液体与锂基通用脂润滑多级孔聚醚醚酮复合材料参数比较
• 4.3.5 对偶面,磨损面SEM分析
• 4.3.6 磨损机理讨论
• 4.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 发表文章目录
• 致谢
• 详细摘要