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聚酰亚胺/二硫化钼润滑涂层的制备与性能研究

钱培培  
【摘要】:聚酰亚胺(Polyimide, PI)润滑涂层已经开始使用于活塞裙部,能够起到润滑、保护以及减少摩擦损失的作用。作为固体润滑剂,二硫化钼(MoS2)的减摩性能良好,可以减小零件的损耗;二氧化钛(Ti02)纳米颗粒的理化性质优异,热稳定性能良好,在腐蚀性环境中基本不受影响。本文将上述两种固体润滑剂作为添加物加入聚酰亚胺复合材料,研究其单独和混合加入对于润滑涂层的影响,以期得到优于现有润滑涂层的涂层材料。在高速球磨机中,将聚酰胺酸液体和二硫化钼/二氧化钛等混合搅拌15 min,随后加入0.4 wt%的消泡剂和0.4 wt%的流平剂等助剂,使用磁力搅拌器搅拌混合10 min。所得的液体涂料涂覆到铝合金试样表面,放入真空干燥箱中。在210℃、保温30 min条件下,聚酰胺酸(PAA)发生固化,脱水成环生产聚酰亚胺,得到聚酰亚胺/二硫化钼和聚酰亚胺/二硫化钼/二氧化钛涂层。为测试涂层性能,判断复合材料性能的优劣,使用多功能摩擦磨损试验机(UMT-3),测试涂层的摩擦行为。为了分析造成性能差异的原因,运用多种测试手段,得到涂层的表面形貌、与金属基体的结合力以及二硫化钼的晶体结构,进行综合分析讨论,得出性能优劣原因,掌握摩擦方式和机理,为后续研究奠定基础。不同MoS2含量(10wt%、16.7 wt%、20wt%、30wt%)的4组聚酰亚胺/二硫化钼涂层试样中,质量分数为10 wt%的试样,涂层与金属基体的结合力最好,表现为脱落区域的面积最小,随着MoS2含量的增加,涂层脱落区域的面积也随之增加。X射线衍射仪(XRD)的分析结果表明,涂层中MoS2晶体(004)和(103)晶面的衍射峰发生偏移,晶面间距在C轴方向增大。室温、定载荷1 N、摩擦速度10 mm/s的摩擦条件下,随着MoS2含量的增加,聚酰亚胺/二硫化钼涂层的摩擦系数表现出先降低后增大的趋势;当MoS2含量为16.7 wt%时,摩擦系数最小,为0.21(平均值)。涂层中加入TiO2可以提高其耐磨性。当TiO2含量为1.5 wt%时,聚酰亚胺/二硫化钼/二氧化钛涂层摩擦45 min后发生磨损,耐磨性优于其他TiO2含量的聚酰亚胺/二硫化钼/二氧化钛涂层。不同二硫化钼含量的聚酰亚胺/二硫化钼涂层的磨损开裂时间最长为20 min。当TiO2含量为1.0 wt%时,聚酰亚胺/二硫化钼/二氧化钛涂层的摩擦系数最小,为0.22(平均值)。分析了MoS2和TiO2改善涂层摩擦磨损性能的机理。在聚酰亚胺基固体润滑涂层的摩擦过程中,PI利用自身的低剪切强度和填料(MoS2/TiO2)的自润滑性能来降低摩擦系数涂层。摩擦过程中,在循环切应力的影响下,涂层表面形成裂纹并扩展,使得涂层因疲劳磨损而剥落,失去保护效果。


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