PBO及其短纤维增强聚合物材料的摩擦学性能研究

论文摘要

聚对苯撑苯并二噁唑（PBO）是一种由苯环及芳杂环组成的高分子材料,具有非常优异的力学性能,以及极佳的热学和化学稳定性,在尖端科技领域有着广阔的应用前景,因而成为高性能材料领域的研究热点。但迄今对PBO材料的研究工作主要集中在PBO纤维以及PBO织物复合材料的机械性能方面,对PBO及PBO复合材料的摩擦学性能方面的研究仍极少见报道。因此,本论文以PBO及其短纤维填充酚醛树脂（PF）和聚四氟乙烯（PTFE）复合材料为研究对象,系统研究了PBO材料在不同条件下的摩擦学性能,考察了PBO短纤维填充对PF、PTFE摩擦学性能的影响,得到大量规律性结果,结合扫描电子显微镜（SEM）、傅立叶红外（FTIR）以及示差扫描量热仪（DSC）等对材料本体、摩擦表面以及磨屑的多角度观察和测试结果,探讨了相关摩擦磨损机理。研究结果增进了对PBO及其复合材料的了解,具有重要的学术价值,并对PBO作为高性能材料在摩擦学领域的应用具有现实的指导意义。本论文得到的主要研究结果如下:1)由于溶致液晶特性,PBO在热压、水洗成型过程中形成独特的层状结构。这种层状结构,以及PBO优异的化学、热稳定性,使得在与不锈钢对摩时,PBO有着较低的摩擦系数（约0.2）,且基本不受温度、载荷、滑动速度等试验条件的影响;另外,PBO具有非常优异的耐磨性,磨损率仅为同等条件下耐磨性聚合物-聚酰亚胺的1/14。PBO具备优异的摩擦学性能,在高温固体润滑等摩擦学领域有着广阔的应用前景;2)不论是热固性的PF,还是热塑性的PTFE,填充PBO短纤维后,材料的耐磨性都得到显著提高,而摩擦系数没有明显改变。PBO短纤维填充对基体树脂的减磨效果与传统的高性能填料芳纶纤维相当;3)PBO纤维较柔软且耐磨,基本不会影响磨损表面的平整性,在摩擦过程中能够起承载和固定作用,从而有效地保护了树脂基体,降低了材料的磨损率;4)低载荷条件下,在填充PBO短纤维的基础上添加PTFE,可以形成良好的润滑膜层,从而进一步提升酚醛材料的摩擦学性能。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 聚合物摩擦学研究现状
• 1.2 聚合物摩擦学中的影响因素
• 1.2.1 材料内部结构的影响
• 1.2.1.1 分子量的影响
• 1.2.1.2 分子结构的影响
• 1.2.1.3 结晶度的影响
• 1.2.2 外界实验条件的影响
• 1.2.2.1 载荷的影响
• 1.2.2.2 滑动速度的影响
• 1.2.2.3 温度的影响
• 1.3 改善聚合物摩擦学性能的方法和手段
• 1.3.1 添加润滑剂
• 1.3.2 填充无机或金属粉末材料
• 1.3.3 填充纤维
• 1.3.4 复合填充
• 1.4 选题依据及研究思路
• 第二章 PBO材料的摩擦学行为研究
• 2.1 引言
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 原料
• 2.2.2 试样制备
• 2.2.2.1 PBO薄膜的制备
• 2.2.2.2 PBO栓的制备
• 2.2.2.3 聚酰亚胺（PI）栓的制备
• 2.2.2.4 聚四氟乙烯（PTFE）栓的制备
• 2.2.3 性能测试与分析表征
• 2.2.3.1 力学性能测试
• 2.2.3.2 摩擦学性能测试
• 2.2.3.3 表征分析
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 FT-IR分析
• 2.3.2 热学性能分析
• 2.3.3 PBO薄膜的拉伸性能及断面分析
• 2.3.4 摩擦磨损性能
• 2.3.4.1 温度对摩擦系数的影响
• 2.3.4.2 载荷、滑动速度对摩擦系数的影响
• 2.3.4.3 PBO材料的耐磨性
• 2.3.5 PBO材料的摩擦磨损机理
• 2.4 小结
• 第三章 PBO短纤维填充酚醛树脂的摩擦与磨损
• 3.1 引言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 原料
• 3.2.2 试样制备
• 3.2.2.1 PBO、AF短纤维的加工及预处理
• 3.2.2.2 酚醛树脂（PF）的合成
• 3.2.2.3 复合材料的制备
• 3.2.3 性能测试与分析表征
• 3.2.3.1 力学性能测试
• 3.2.3.2 摩擦学性能测试
• 3.2.3.3 分析表征
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 PBO纤维的预处理效果分析
• 3.3.2 力学性能
• 3.3.3 摩擦学性能
• 3.3.4 断面形貌分析
• 3.3.5 摩擦磨损机理
• 3.3.5.1 载荷的影响
• 3.3.5.2 添加PBO短纤维的影响
• 3.3.5.3 PBO、PTFE复合添加的影响
• 3.4 小结
• 第四章 PBO短纤维填充聚四氟乙烯的摩擦与磨损
• 4.1 引言
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 原料
• 4.2.2 试样制备
• 4.2.2.1 PBO、AF短纤维的加工及预处理
• 4.2.2.2 样品的压制、烧结
• 4.2.3 性能测试与分析表征
• 4.2.3.1 力学性能测试
• 4.2.3.2 摩擦学性能测试
• 4.2.3.3 分析表征
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 短纤维填料的表面形貌
• 4.3.2 力学性能
• 4.3.3 摩擦学性能
• 4.3.4 拉伸断面分析
• 4.3.5 摩擦磨损机理
• 4.3.5.1 DSC分析
• 4.3.5.2 磨损面形貌分析
• 4.3.5.3 磨屑形貌分析
• 4.4 小结
• 第五章 结束语
• 参考文献
• 作者简历
• 论文发表
• 致谢