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《武汉理工大学》 2012年
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碳纤维/尼龙6复合材料的改性与摩擦磨损特性研究

周少锋  
【摘要】:工程塑料具有质轻、耐腐蚀、易成型加工等优点,在机械、电子等领域的应用日益广泛,随着应用的深入,工程塑料在力学、摩擦磨损等性能不足的问题日益突出,如何提高力学性能和改善摩擦磨损特性成为亟待解决的关键问题。本文针对碳纤维/尼龙6复合材料的力学和摩擦磨损特性,围绕两种长度碳纤维增强、填料填充改性和聚合物基体改性三个方面对碳纤维/尼龙6复合材料的力学性能及摩擦磨损特性的影响进行系统研究。论文进行了如下研究工作: (1)两种不同长度的碳纤维应用于尼龙6(PA6)的增强改性。结果表明,较长碳纤维(SCF)对复合材料强度、刚性和硬度提高较明显,其中强度增幅可达117%,模量增幅达到422%,硬度增幅达17%,而较短纤维(CFP)对韧性提高更突出,其增幅可达243%;添加碳纤维后,PA6复合材料摩擦稳定性下降,摩擦系数在0.21-0.24之间(2000rpm,20N),PA6/SCF耐磨性能提高明显,SCF含量为20wt.%时耐磨性能突出,其磨损率仅为4.36×10-5mm3/Nm (2000rpm,20N),而PA6/CFP耐磨性能下降。PA6/SCF复合材料磨损机制以粘着磨损为主,纤维含量增加有助于减缓粘着磨损。PA6/CFP磨损机理以磨粒磨损为主,CFP添加量增加,磨粒磨损程度增大。随着载荷、转速和工作温度的升高,PA6/SCF和PA6/CFP摩擦系数降低、磨损率增大,纤维较长时摩擦性能下降幅度较小。总体而言,较长碳纤维对PA6的力学、减摩耐磨能力提高优于较短纤维,尤其在较高载荷、转速和工作温度下,较长碳纤维增强尼龙6复合材料的摩擦学性能远强于较短碳纤维。 (2)填充石墨(Gr)使PA6/SCF复合材料强度、模量、冲击韧性和拉伸韧性一定幅度提高,CFP仅对复合材料冲击韧性具有一定改善作用,CFP和石墨填充均使PA6/SCF复合材料摩擦稳定性小幅下降,摩擦系数增大,磨损率小幅降低。与CFP填充相比,石墨填充复合材料摩擦稳定性高,摩擦系数和磨损率均较低,PA6/SCF-Gr摩擦系数在0.22-0.24之间(2000rpm,20N),磨损率在4.35~5.75×10-5mm3/Nm之间(2000rpm,20N),石墨含量为5.0wt.%时耐磨性能较未填充Gr的PA6/SCF提高幅度可达30%(2000rpm,20N)。随着载荷、速度和温度的升高PA6/SCF-CFP和PA6/SCF-Gr复合材料摩擦系数均小幅降低,磨损率显著增大。随着CFP填充量的增加,PA6/SCF-CFP复合材料的磨损机制由粘着磨损转为磨粒磨损,Gr填充的PA6/SCF-Gr磨损机制为粘着磨损。总之,石墨填充对PA6/SCF复合材料力学和摩擦学性能的提升作用全面强于CFP填充。 (3)对PA6-CFP复合材料采用聚苯硫醚(PPS)改性可提高PA6-CFP复合材料的机械强度、刚性和硬度,热塑性聚氨酯弹性体(TPU)改性对韧性提高明显。PA6/PPS-CFP复合材料摩擦稳定性较低,但耐磨能力远强于PA6/TPU-CFP复合材料。对PA6-CFP复合材料进行刚性和硬度改性较韧性改性更有利于改善复合材料的耐磨能力。载荷和转速增大,PA6/PPS-CFP和PA6/TPU-CFP复合材料的摩擦系数均降低,PA6/PPS-CFP复合材料耐磨能力下降,而PA6/TPU-CFP复合材料则表现出一定减摩耐磨特性。磨损表面形貌特征显示,PA6/PPS-CFP复合材料的磨损方式以粘着磨损为主,而PA6/TPU-CFP复合材料以磨粒磨损为主。 (4)综合基体改性(PPS、TPU)和填充改性(CFP、Gr)对PA6/SCF复合材料的摩擦磨损性能,可得到石墨与SCF复合增强可发挥协同减磨作用,其磨损率下降幅度可达30%,耐磨性能较PA6/SCF复合材料及PPS、TPU改性更突出。 (5)材料改性方法、力学性能与摩擦磨损性能之间关系研究表明,PA6/CF复合材料摩擦磨损性能与力学性能密切相关,提高复合材料的强度、模量和硬度更有利于改善复合材料的耐磨性能。基体改性和填充改性后,PA6/CF复合材料力学性能与摩擦磨损特性的关系受到改性聚合物或填料特性的影响。 上述研究结果揭示了两种长度碳纤维增强对尼龙6复合材料的力学和摩擦磨损性能的改性规律和机制,首次采用基体改性与纤维增强相结合的方法改善PA6的力学性能和摩擦磨损性能。阐明了不同改性方法下尼龙6复合材料的磨损机制,得到了材料改性方法、力学性能与摩擦磨损特性之间的关系与规律,得出不同改性方法可实现尼龙6复合材料不同力学特性和摩擦磨损特性调控,为制备和开发力学性能和摩擦磨损性能优异且其性能可设计的碳纤维/工程塑料复合材料零部件提供理论指导。
【学位授予单位】:武汉理工大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2012
【分类号】:TB332

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