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高性能织物增强聚四氟乙烯复合材料摩擦学性能研究

刘沛  
【摘要】:聚四氟乙烯(polytetrafluoroethylene, PTFE)具有优异的自润滑性、化学稳定性和耐高低温性,是一种理想的固体润滑材料。但纯PTFE力学性能比较差、承载能力低、耐磨性很差,限制了其应用。通过引进各种填料或增强体制备PTFE复合材料是改善其性能的常见方法,PTFE复合材料的摩擦学研究也是聚合物摩擦学研究中的热点之一。迄今为止,许多相关研究往往采用各种纤维、纳米材料或微米级填料等对PTFE进行复合改性,制备出的PTFE复合材料依然存在力学性能较差、承载能力低、界面粘结不足以及PTFE自身优异性能损失等问题。 与传统的填料或增强体相比,织物具有有序性、紧密性和整体性等特点,以其为增强体可大幅提高复合材料的力学性能和承载能力。此外,如果采用与基体化学结构相同的材料对基体进行自增强可显著改善复合材料的界面粘结,在不引入其他材料的同时大幅提高基体的性能,同时尽可能保留其自身优异性质。 针对上述情况,本论文以三种高性能纤维即碳纤维、芳纶和PTFE纤维的二维织物为增强体制备PTFE复合材料,研究了复合材料的制备工艺,考察了复合材料组成对其力学及摩擦学性能的影响,比较了织物增强和短纤维增强的差异,并尝试通过多种改性方法(如织物表面改性、纳米粒子填充)对复合材料进行摩擦学改性,在此基础上结合各种表征方法对织物表面、磨损面、磨屑、拉伸断面等多角度进行观察和分析,探讨了复合材料的摩擦磨损机理。本论文的主要研究结果如下: 1.通过分散液浸渍法成功制备复合材料组成在一定范围内且组成可控的碳纤维织物、芳纶织物增强PTFE复合材料及PTFE织物自增强复合材料,所得复合材料表现出优异的力学及摩擦学性能。复合材料组成对三种织物增强PTFE复合材料的力学及摩擦学性能均有较大影响,织物含量适中时复合材料综合性能最优。 2.三种织物增强PTFE复合材料的拉伸强度均远高于传统非织物增强PTFE复合材料,其中碳纤维织物增强PTFE对提高复合材料拉伸强度效果最好,其拉伸强度最高高达387.7MPa。三种织物复合材料均保留了PTFE低摩擦系数特性,其耐磨性与采用传统工艺制备的相应短纤维增强PTFE复合材料相比均有不同程度的优势,芳纶织物增强对提高复合材料耐磨性效果最好。采用PTFE织物自增强在不引入其他材料的情况下大幅提高PTFE的力学及摩擦学性能,PTFE自身的各优异性能能尽可能得以保留。 3.采用适当的表面处理改变了碳纤维或芳纶的表面形貌和化学组成,改善了相应复合材料的界面粘结,从而提高了复合材料的摩擦学性能。采用适量纳米Ti02填充也改善了碳纤维织物或芳纶织物复合材料的界面粘结,同时对基体带状结构产生影响,提高了复合材料的耐磨性。联合表面处理和纳米Ti02填充起到协同效应,对复合材料耐磨性改进效果更好。适量纳米Ti02填充亦在一定程度上提高PTFE织物自增强复合材料耐磨性,但其效果不及直接采用纳米Ti02填充PTFE。 4.三种织物增强PTFE复合材料中,连续网状的织物结构起到了承载作用,并可在一定程度上阻止基体形成大尺寸结晶块,这是复合材料表现出优异摩擦学性能的主要原因,其中前者是主要因素。适当的复合材料组成有利于织物上述作用的有效发挥,纤维表面改性或纳米Ti02填充提高复合材料界面粘结亦有利于织物的承载作用,而纳米Ti02填充还可进一步影响基体带状结晶结构,阻止摩擦时基体带状结构大尺度破坏。 5.三种织物及其纤维受力时破坏行为不同是影响相应织物复合材料承载能力的重要因素。碳纤维受力时会发生脆性破坏,不利于其织物承载作用的发挥。芳纶受力时只会发生韧性变形及韧性断裂而不会发生脆性断裂,因而能承受很大应力。PTFE纤维自身强度低且受摩擦力作用时会发生带状结晶结构的破坏形成片状磨屑,因而其织物承载能力最差。 本研究通过对这三种高性能织物增强PTFE复合材料摩擦磨损行为和机理的研究,拓展了PTFE复合材料摩擦学研究领域,深化了对织物增强PTFE复合材料的磨损失效规律的认识。本研究的结果丰富了聚合物复合材料摩擦学的基础数据和理论认识,可为开发相关高性能自润滑复合材料提供理论指导。


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