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稀土溶液处理碳纤维填充热塑性聚酰亚胺复合材料摩擦学性能研究

李健  
【摘要】: 热塑性树脂基复合材料不仅具有耐腐蚀性、无毒性,还具有可重复加工使用的特点,有利于环保,因而倍受人们的重视。热塑性聚酰亚胺(PI)具有突出的热稳定性、良好的抗冲击、抗辐射和耐溶剂性能,是一类很有发展潜力应用于摩擦学领域的基体材料。碳纤维具有耐高温、高强度、高弹性模量、抗蠕变等特点,是制备高性能树脂基复合材料最常用的增强纤维。然而,碳纤维在未经表面处理前,其活性比表面积小,表面能低;在被用作复合材料的增强体时,往往因其与树脂界面的粘合性差而影响其性能的发挥,因而界面结合的问题就显得更为重要。 本论文根据碳纤维表面性质和稀土元素独特的物理化学特性,采用稀土溶液(RES)表面改性方法对碳纤维进行表面改性处理,以改善碳纤维/聚酰亚胺(CF/PI)复合材料的界面结合性能,从而有效地提高CF/PI复合材料的力学性能和摩擦学性能。 第一,采用RES改性方法和空气氧化法对碳纤维进行表面改性处理,制备出具有不同界面的CF/PI复合材料。对采用不同表面处理方法处理的CF/PI复合材料进行力学性能测试,研究不同表面改性处理方法与CF/PI复合材料力学性能之间的关系。结果表明:RES表面处理和空气氧化法均提高碳纤维与PI基体之间的界面结合性能,其中RES改性处理方法最有效。 第二,运用X射线光电子能谱(XPS)对改性处理前后碳纤维表面结构进行表征。结果表明:空气氧化处理和RES处理均提高碳纤维表面活性。但是,空气氧化方法在提高碳纤维表面活性的同时,使CF表面上形成了分子尺寸的刻蚀坑,损害了碳纤维的力学性能,最终导致其对CF/PI复合材料界面结合性能的改善作用不明显。采用RES对碳纤维进行处理时,稀土元素可以与碳纤维表面的碳原子、氧原子、氮原子发生配位化学反应,并与稀土溶液中的有机活性基团发生化学配位键合,提高了碳纤维表面活性基团的含量,增大了其表面活性;当碳纤维与PI复合时,稀土原子能够继续与聚酰亚胺分子链的含氧官能团发生配位键合,当稀土原子的配位数发挥到最大,碳纤维与PI之间形成强韧性界面层结构,因此增强了碳纤维与PI之间的界面结合性能。 第三,采用往复式摩擦磨损试验机考察不同碳纤维含量的CF/PI复合材料摩擦学性能。结果表明:在聚酰亚胺中填充碳纤维,可有效改善CF/PI复合材料摩擦学性能;在相同摩擦条件下,碳纤维体积含量为20vol%时,CF/PI复合材料的摩擦系数和磨损量最小;随着载荷和往复滑动频率的增加,CF/PI复合材料的摩擦系数和磨损量均持续上升。 第四,系统深入开展不同界面CF/PI复合材料摩擦磨损机理研究。研究了载荷、往复滑动频率、润滑条件等因素对复合材料摩擦磨损性能的影响。结果表明:具有不同界面CF/PI复合材料摩擦学性能受载荷和往复滑动频率影响不同,随着载荷和往复滑动频率的增大,界面结合性能对摩擦接触面物性影响显著,使得未处理CF/PI复合材料与空气氧化处理CF/PI复合材料的摩擦磨损性能受载荷和往复滑动频率影响大,RES处理CF/PI复合材料的摩擦磨损性能受载荷和往复滑动频率影响小;在相同的试验条件下,经过RES处理的CF/PI复合材料的摩擦磨损性能最优;油润滑条件下CF/PI复合材料的摩擦学性能优于干摩擦条件下的摩擦学性能,主要是因为机械油的润滑、冷却和动压承载作用。 本论文采用RES改性方法对碳纤维进行表面改性处理,探讨RES改性方法对碳纤维表面改性作用的机理,研究表面改性处理方法与CF/PI复合材料力学性能之间的关系,并深入研究了CF/PI复合材料的摩擦磨损规律。本论文进一步发展了RES改性方法在表面工程领域的应用,有效地把复合材料界面科学理论与复合材料摩擦学理论结合起来,丰富了摩擦学理论。


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