（材料学专业论文）抗静电耐磨涂层的制备及性能研究.pdf

独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 武汉理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 学位论文使用授权书 矽m 1 2 ，j 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：趸娜 导师( 签名) ：秀笫刁4 日期歹。胁肛，l 摘要 环氧树脂具有优异的粘结性能、韧性、机械强度、耐水性和化学稳定性， 被广泛地应用于航空航天领域和汽车、机械、电气、化工等民用领域。但是环 氧树脂固化产物的变形能力差，用其制备的涂层往往不能满足耐磨的性能要求， 另外，制品的单一性能往往不能满足实际的使用要求。因此，涂层综合性能的 研究具有重要的意义。 本文旨在提高环氧涂层的耐磨性和抗静电性，以低粘度环氧树脂为胶粘剂， 以石墨、硫酸钡、炭黑为填料粒子，设计不同填料配方，制备各种测试用试样。 通过磨耗仪、偏光显微镜、四探针、绝缘电阻仪、硬度计等对试样的性能进行 了测试，研究了不同填料配方对涂层摩擦磨削性能、导电性能、粘接性能、硬 度的影响，并对复合涂层的磨损机理和导电机理进行了初步探讨。 对复合涂层的摩擦磨损性能研究表明，粒子的种类对复合涂层的磨削性能 有较大的影响，石墨和硫酸钡具有良好的协同减磨作用，配合使用可以有效的 减少磨损量，改善耐磨性。对磨损机理的研究发现，在复合涂层磨损过程中， 先是砂轮表面的硬颗粒的滚动碾压然后才是滑动刮擦作用，刮擦严重时会产生 犁沟作用和微切削作用，加重复合涂层的失重。磨损过程中，砂轮表面粘附的 碎屑会降低砂轮的粗糙度，有利于磨损面片层结构的形成，使得复合涂层的磨 损降低。 对复合涂层的导电性能研究发现，复合涂层的导电性能受到填料粒子种类 的影响，采用石墨硫酸钡炭黑类型的复合涂层具有优于石墨类型的导电性能， 同时石墨硫酸钡类型复合涂层的导电性能稍逊于石墨类型的导电性。这是因为 球形炭黑微粒可以填充在石墨的片层之间，一方面可以抑制石墨片层的团聚， 从而促进了石墨在涂层中的分散，另一方面在石墨片层间起到了桥联的作用， 使得面面接触变成了面点面接触，提供了更多的导电通道，使得导电通道更加 完善，因此提高了复合材料的导电性能。硫酸钡是高电阻率填料，e f b 类型复合 涂层的导电网络中存在无数多个断点，存在断电的那部分导电网络的不畅通， 涂层的体积电阻率高，导电性能不好。 研究发现，复合涂层的耐磨性与界面的作用强度有一定的关系，但是不成 正比。填料粒子含量在1 7 3 2 复合涂层的硬度都较高，涂层的硬度较高时， 耐磨性也较好。 综合考虑，试样e f e 7 e f c - i1 均具有较好的抗静电性能和耐磨擦性能，其 中试样e f t 7 的粒子填充量为2 4 ，石墨填充量为1 7 6 ，磨损量最低，耐磨性 好，体积电阻率小于1 0 6q c m ，符合抗静电的性能要求，其综合性能最优。 关键词：耐磨涂层；摩擦磨损；抗静电 i i a b s t r a c t e p o x yh a se x c e l l e n tb o n d i n gp r o p e r t i e s ，t o u g h n e s s ，m e c h a n i c a ls t r e n g t h , w a t e r r e s i s t a n c ea n dc h e m i c a ls t a b i l i t y , b e i n gw i d e l yu s e di na e r o s p a c ea n dc i v i l i a na r e a s s u c ha sa u t o m o b i l e ，m a c h i n e r y ，e l e c t r i cf i e l d ，c h e m i c a li n d u s t r ye t c h o w e v e r , t h e d e f o r m a t i o no fe p o x yp r o d u c ti sp o o r ，a n di t sc o a t i n g sc a nn o tm e e tt h ep e r f o r m a n c e r e q u i r e m e n t so fw e a r - r e s i s t a n t p r o d u c tw i t has i n g l ep e r f o r m a n c eo f t e nc a n n o tm e e t t h ea c t u a lr e q u i r e m e n t s s ot h er e s e a r c ho fc o m p r e h e n s i v ep e r f o r m a n c eo fc o a t i n g si s s i g n i f i c a n t f o ri m p r o v i n gw e a rr e s i s t a n c eo fe p o x yc o a t i n g , g r a p h i t e ，b a r i u ms u l f a t ea n d c a r b o nb l a c kw e r em i x e dw i t he p o x yt op r o d u c ee p o x yc o m p o s i t ec o a t i n g b yd e s i g n d i f f e r e n tp a c k i n gf o r m u l a s ，v a r i o u st e s ts a m p l e sw e r ep r e p a r e d t h r o u g ht h ea b r a s i o n m e t e r , p o l a r i z i n gm i c r o s c o p ea n df o u r - p o i n tp r o b e ，i n s u l a t i o n r e s i s t a n c em e t e r , h a r d n e s st e s t e re t c ，t h ep e r f o r m a n c e so ft h es a m p l e sw e r et e s t e d e f f e c t so fd i f f e r e n t p a c k i n gf o r m u l a s0 1 1f r i c t i o np e r f o r m a n c e s ，e l e c t r i cc o n d u c t i v i t y ，a d h e s i v ea b i l i t ya n d h a r d n e s sw e r es t u d i e d o nt h eb a s i so ft h e s ew o r k s ，a b r a s i o nm e c h a n i s m sa n d c o n d u c t i v em e c h a n i s mw e r ed i s c u s s e da c c o r d i n g l y a sf 打a sf r i c t i o na n dw e a rp r o p e r t i e so fc o a t i n g sa l ec o n c e r n e d ，p a r t i c l et y p e s h a v eag r e a ti m p a c to nw e a rr e s i s t a n tp r o p e r t i e so fc o a t i n g w i t ht h eg o o ds y n e r g i s t i c e f f e c to fa n t i a t t r i t i o n ，g r a p h i t ea n db a r i u ms u l f a t eu s i n gt o g e t h e rc a n r e d u c ew e a ra n d i m p r o v ew e a rr e s i s t a n c ee f f e c t i v e l y c a r b o nb l a c kh a s an e g a t i v ei m p a c to nt h ew e a r r e s i s t a n c eo fc o a t i n g s t h es t u d yo na b r a s i o nm e c h a n i s mf o u n dt h a ti nt h ew e a r i n g p r o c e s s ，f i r s t ，t h eh a r dp a r t i c l eo ft h ew h e e ls u r f a c er o l l i n g , a n dt h e na r es l i d i n ga n d s c r a t c h i n gc o a t i n g w h e ns l i d i n ga n ds c r a t c h i n gi n c r e a s e ds e r i o u s l y , f u r r o w a n d m i c r o c u t t i n ge f f e c t sa r i s e ，w h i c hi n c r e a s e dw e i g h tl o s so fc o a t i n g s i nt h e w e a r p r o c e s s ，t h ed e b r i sa d h e r e dt ot h eg r i n d i n gw h e e ls u r f a c er e d u c e st h er o u g h n e s s o ft h e g r i n d i n gw h e e l ，w h i c hi se o n d u c i v et ot h ef o r m a t i o no f l a m e l l a rs t r u c t u r e ，r e d u c i n g t h ew e a ro fc o a t i n g t h es t u d yo nc o n d u c t i v i t yo ft h ec o a t i n gf o u n dt h a tt h et y p e so ff i l l e rp a r t i c l e s e f f e c tc o n d u c t i v i t yo fc o a t i n g t h ec o a t i n gm i x e dw i t hg r a p h i t e ，b a r i u ms u l f a t ea n d c a r b o nb l a c ki sb e t t e rt ot h et y p eo fg r a p h i t ec o a t i n go nt h ec o n d u c t i v i t y t h et y p eo f i i i g r a p h i t e ，b a r i u ms u l f a t ec o a t i n gh a sl e s sc o n d u c t i v et h a nt h et y p eo fg r a p h i t ec o a t i n g t h i si sb e c a u s es p h e r i c a lc a r b o nb l a c kp a r t i c l e sc a nf i ni nb e t w e e nt h eg r a p h i t el a y e r s o n eo ft h ee f f e c t si st oi n h i b i tt h ea g g l o m e r a t i o no fg r a p h i t e ，t h u sp r o m o t i n gt h e d i s p e r s i o no fg r a p h i t el a y e ri nt h ec o a t i n g o nt h eo t h e rh a n d sc a r b o nb l a c kp l a ya r o l ei nt h ee f f e c to ff e d e r a t i o n , m a k i n gt h ec o n t a c tb e t w e e ns u r f a c ea n ds u r f a c e b e c o m ec o n t a c tw i t hs u r f a c e ，p o i n ta n ds u r f a c e ，m a k i n gm o r ep e r f e c tc o n d u c t i n g c h a n n e l ，t h u si n c r e a s i n gt h ec o a t i n g se l e c t r i c a lp r o p e r t i e s f o rb a r i u ms u l f a t ef i l l e ri s ah i 曲r e s i s t i v i t y , t h e r ea r ec o u n t l e s sn u m b e ro fb r e a k p o i n t si nt h ec o n d u c t i v e n e t w o r ko fe f bt y p ec o a t i n g i nt h i sp a r t ，t h ec o n d u c t i v en e t w o r ki sn o ts m o o t h , s o t h ev o l u m er e s i s t i v i t yi sh i 曲o ft h ec o a t i n ga n dc o n d u c t i v i t yi sn o tg o o d s t u d yf o u n dt h a tt h e w e a l r e s i s t a n c eo fc o a t i n gi sr e l a t e dt ot h ei n t e r f a c e i n t e n s i t y , b u tn o td i r e c t l yp r o p o r t i o n a l t h ec o a t i n gw i t hf i l l e r sc o n t e n to f17 t o 3 2 h a sh i g h e rh a r d n e s s w h e nh a r d n e s si sh i d e r ，t h ew e a rr e s i s t a n c ei sb e t t e r w i t hc o m p r e h e n s i v ec o n s i d e r a t i o n ，s a m p l e sf o r me f c 一7t oe f c 一11h a sb e t t e r c a p a b i l i t yo fa n t i s t a t i cp r o p e r t i e sa n dw e a rr e s i s t a n tp r o p e r t i e s w i t h2 4 f i l l e r s i n c l u d i n g17 6 g r a p h i t ef i l l e d ，s a m p l ee f c - 7h a s t h el o w e s tw e a r ，g o o dw e a r r e s i s t a n tp r o p e r t i e s t h ev o l u m er e s i s t i v i t yo ft h i ss a m p l ei sl e s st h a n10 0q c n l ， w h i c hf u l f i l lt h ea n t i s t a t i cp e r f o r m a n c er e q u i r e m e n t s s os a m p l ee f c - 7h a st h eb e s t o v e r a l lp e r f o r m a n c e k e y w o r d s ：w e a rr e s i s t a n tc o a t i n g ；f r i c t i o na n dw e a r ；a n t i s t a t i c i v 目录 第一章绪论1 1 1 聚合物耐磨涂层的研究进展1 1 1 1 聚合物耐磨涂层发展概况1 1 1 2 环氧与酚醛环氧耐磨涂层1 1 1 3 聚酰亚胺耐磨涂层2 1 1 4 聚氨酯耐磨涂层3 1 1 5 聚醚醚酮耐磨材料4 1 1 6 聚醚砜耐磨材料5 1 2 聚合物材料磨损机理研究：5 1 3 导电聚合物复合材料研究进展7 1 3 1 导电聚合物复合材料7 1 3 2 聚合物导电复合材料导电机理研究进展1 1 1 3 3 聚合物导电材料的应用研究进展1 2 1 4 阻燃聚合物材料及阻燃机理的发展概况1 3 1 4 1 阻燃聚合物材料的发展概况1 3 1 4 2 阻燃剂的种类及阻燃机理1 4 1 5 本文研究的目的和意义及主要研究内容1 5 1 5 1 本文研究的目的和意义1 5 1 5 2 本课题的研究内容1 5 1 5 3 聚合物耐磨涂层研究中存在的主要问题1 6 第二章抗静电耐磨涂层的配方设计和试样制备。1 7 2 1 抗静电耐磨涂层配方设计1 7 2 1 1 聚合物树脂及固化剂的选用1 7 2 1 2 填料的选用18 2 1 3 助剂的选用18 2 1 4 抗静电耐磨涂层配方组成1 9 2 2 抗静电耐磨涂层的制备2 0 2 2 1 原材料和仪器2 0 v 2 2 2 复合涂层试样的制备工艺2 1 2 3 主要性能测试2 2 2 3 1 磨削性能测试2 2 2 3 2 导电性能的测试2 2 2 3 3 涂层巴氏硬度的测试2 3 2 3 4 拉伸强度的测试2 4 2 3 5 偏光显微镜测试2 4 2 3 6 阻燃性能测试2 4 第三章抗静电耐磨涂层性能研究2 7 3 1 抗静电耐磨涂层的摩擦学性能研究2 7 3 1 1 载荷对涂层磨削性能的影响2 8 3 1 2 粒子含量及种类对涂层磨耗性能的影响2 9 3 1 3 石墨含量对涂层磨耗性能的影响3 1 3 1 4 磨损机制分析3 3 3 2 抗静电耐磨涂层导电性能的研究3 5 3 2 1 石墨含量对涂层导电性能的影响及其机理分析3 5 3 2 2 粒子的种类对涂层导电性能的影响3 8 3 3 抗静电耐磨涂层的粘接性能3 9 3 4 抗静电耐磨复合涂层的硬度4 0 3 5 材料的阻燃性能的研究4 2 3 6 本章小结4 2 第四章结论与展望。4 5 4 1 结论4 5 4 2 展望4 5 参考文献 4 7 至定谢。51 附录：硕士期间发表的论文5 2 武汉理工大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 聚合物耐磨涂层的研究进展 1 1 1 聚合物耐磨涂层发展概况 聚合物耐磨涂层是以聚合物为胶粘剂， 助剂制备而成复合体系，涂覆于基材表面， 的作用，或用于修复已磨损的基材表面。 加入耐磨填料、固化剂以及其他的 固化后可以起到防止基材表面磨损 粘结剂是耐磨涂层的基本成分之一，它在很大的程度上决定了涂层的附着 力、强度、耐温性、耐磨性等基本性能。通常采用的粘结剂有环氧树脂、酚醛- 环氧树脂、聚酰胺树脂、聚酰亚胺树脂、聚氨酯等。固体润滑剂材质较软，当 与其他材料对磨时，可以在其表面形成固体润滑膜，从而减少摩擦系数，增加 耐磨性。因此，常用固体润滑剂如二硫化钼( m o s 2 ) 、石墨、聚四氟乙烯( p t f e ) 、 金属氧化物、卤化物、硒化物、软金属等充当固体润滑填料。 1 1 2 环氧与酚醛环氧耐磨涂层 环氧树脂是一种热固性树脂，因其具有优异的粘结性、机械强度、电绝缘 性等特性，而广泛应用于电子材料的浇注、封装以及涂料、胶黏剂、复合材料 基体等方面。但是由于其固化产物的变形能力差，往往呈脆性状态，用其制备 的耐磨涂层常常无法满足性能的要求。为进一步提高耐磨涂层的耐磨性能，国 内外学者对此进行了大量的研究工催m 】。 张玉金【3 】等人合成了含有端环氧基聚醚氨酯的环氧树脂增韧稀释剂 ( u 6 6 9 ) ，将该化合物与环氧树脂( e 5 1 ) 共混，通过扫描电镜观察其断面微观 结构，发现其固化物具有海岛结构而具有较好的耐磨性。这是因为u 6 6 9 弹性体 的孔洞粒径大致为o 5 1 0 1 t m ，是作为第2 相分散在基体环氧树脂中。这是_ 种 典型的海岛结构，基体中的橡胶相具有耐冲击性，在材料受到冲击时橡胶相粒 子能吸收能量的应力集中物和弹性贮能体，从而可抑制裂纹扩展，起到增韧作 用，u 6 6 9 作为分散相能够吸收能量，这是环氧树脂增韧的主要原因【4 j 。 丁剑，郭强【5 】等人用环氧树脂和导电石墨环氧树脂的复合配方，采取液相固 化成膜的工艺路线，制备出导电耐磨涂层电阻值低达3 6 5 0 q ，且趋于稳定，涂 武汉理工大学硕士学位论文 层附着力最小，且当石墨含量为1 2 5 倍渗流临界值时涂层比磨损率最低为 1 7 9 1 x 1 0 1 0 m m 3 ( n m ) 。 酚醛环氧以其优异的粘接性能，也常作为耐磨涂层的树脂基料。李燕【6 】等 人考察了s i 0 2 添加量在真空紫外辐照条件下对m o s 2 酚醛环氧树脂摩擦学性能 的影响，发现涂层的摩擦系数、耐磨性分别呈降低、增强趋势。s i 0 2 添加量为2 ( 质量分数) 的复合涂层在紫外辐照前后摩擦系数最低，大约比未添加时降 低了3 2 ，耐磨性能最佳，磨损率比未添加时降低了3 3 以上；当s i 0 2 添加量 为1 ( 质量分数) 时，复合涂层辐照前后的耐磨寿命最长，大约为未添加时的 1 4 倍。这表明紫外辐照在一定程度上有利于提高涂层的耐磨性，s i 0 2 的添加明 显提高了复合涂层的摩擦学性能以及抗紫外辐照性能。熊金平等人以天然生漆 改性酚醛环氧为防腐耐磨涂层的基料，获得了良好的效果【_ 7 1 。 1 1 3 聚酰亚胺耐磨涂层 聚酰亚胺( p i ) 具有良好的力学性能、耐高温性能、绝缘性能，是一种高性 能工程塑料，它的减摩耐磨性能被广泛的应用于航空航天，医疗器械等的摩擦 领域【8 】o 朱敏【9 】等人对不同体积含量m o s 2 填充聚酰亚胺( p i ) 复合材料的摩擦磨损 性能进行了研究，发现添加m o s 2 可以有效的降低复合材料的摩擦系数，且摩擦 系数均随着m o s 2 含量的增大而减小。除了p i + i o m o s 2 外，其它含量的m o s 2 填充p i 复合材料的耐磨性能均明显优于纯p i 材料，但是当二硫化钼的含量超过 3 0 后，p i 复合材料的磨损率基本不随m o s 2 含量变化。在较高的载荷下，m o s 2 复合材料均能呈现出良好的减摩耐磨性能。 陈震霖【lo 】等人自主开发了一种新型的聚酰亚胺，并采用石墨、m o s 2 、聚四 氟乙烯等固体润滑剂改善了它的摩擦磨损性能。在高载低速工况下，材料的摩 擦系数大小仅为纯料的2 5 5 0 ，很好的改善了材料的摩擦系数。 黄丽坚【l l 】等人用石墨对热塑性聚酰亚胺进行改性，虽然石墨的加入降低了 复合材料的弯曲强度和拉伸强度，但当石墨的含量为3 0 时复合材料的磨损率 仅为纯树脂的2 9 。他们同时还考察了复合材料在干摩擦和三种油润滑条件下 的摩擦磨损性能：干摩擦条件下复合材料的摩擦系数随着石墨含量的增大稳定 降低最终保持在0 1 左右；油润滑条件下复合材料的摩擦系数比干摩擦时降低了 一个数量级；三种润滑油均能在对偶件表面形成稳定吸附膜。 2 武汉理工大学硕士学位论文 贾均纠1 2 】等人研究了碳纤维、玻璃纤维及石英纤维增强的p i 复合材料在干 摩擦和水环境下的摩擦磨损行为。发现碳纤维和石英纤维增强p i 复合材料的摩 擦系数和磨损率均随着纤维含量的增加而增大。材料的磨损均以塑性变形，微 观破碎为主导，相同纤维种类和含量增强p i 复合材料在水环境的磨损率均较干 摩擦下的低，这主要是因为摩擦副表面吸附或存留的水分的边界润滑作用。 t a n a k a a 1 3 】等制备了碳纳米突( c n h ) 、碳纳米管( c n t ) 、石墨p i 复合 材料，发现含有1 0 c n h 复合材料的摩擦因数为o 2 5 ，稍微高于含有1 0 石墨 的复合材料的摩擦因数，含有c n h 与c h i t 复合材料的磨损性能并无很大的差 别。 1 1 。4 聚氨酯耐磨涂层 聚氨酯树脂又称聚氨酯弹性体，是一种性能介于塑料和橡胶之间的特种弹 性体，具有较好的耐磨性，抗撕裂和耐冲击性能。但由于聚氨酯分子中含有- n c o ， o h 和脲等强极性基团，使得它的表面能相对较高，滑动摩擦系数偏大，易产 生摩擦热，因此，它在一些要求减摩耐磨领域的应用受到了限制【1 4 1 。用聚醚多 元醇与甲苯二异氰酸酯反应，合成分子链末端带有- n c o 基团的预聚体，按不同 的配方加入不同的添加剂，充分混合均匀，可以制的得多种耐磨聚氨酯胶料【l 副。 在聚氨酯中添加有机硅类、有机蜡类、含氟材料、无机添加剂均可改善聚氨酯 的耐磨性。 宋浩杰【1 6 】等人分别研究了聚四氟蜡、聚四氟乙烯聚氨酯粘接涂层的摩擦性 能；采用扫描电子显微镜、光学显微镜分析了涂层的磨损表面、对偶面的磨损 情况。结果表明，聚四氟蜡和p t f e 都能提高聚氨酯涂层的耐磨性能，降低涂层 的摩擦系数。聚四氟蜡聚氨酯粘接涂层的摩擦磨损性能明显优于p t f e 聚氨酯 粘接涂层的耐磨性。在低负荷、中高速实验条件下，它具有良好的减摩耐磨性。 他f l j t r 7 】还发现在聚四氟蜡聚氨酯涂层中加入m o s 2 与石墨，涂层的耐磨性得到 提高，但对摩擦系数的影响不大，并且添加m o s 2 的聚四氟蜡聚氨酯粘接涂层的 耐磨性要优于添加石墨的聚四氟蜡粘接涂层。在高负荷中速条件下复合涂层具 有较好的耐磨性。 刘玲【1 8 】等人研究了c a s 0 4 晶须对聚氨酯弹性体复合材料热性能和摩擦性能 的影响。发现，随着c a s 0 4 晶须含量的增加，复合材料的起始分解温度提高， c a s 0 4 晶须的加入并未改变聚氨酯弹性体的化学结构，只是减慢了聚氨酯弹性体 的热失重速率；随着c a s 0 4 晶须含量的增加，聚氨酯弹性体复合材料的磨耗量 3 武汉理工大学硕士学位论文 降低，分析认为，这是由于晶须的排列是杂而无序的，它可以渗透到聚氨酯基 体中形成较多的网状结构，对聚氨酯产生了束缚作用，可以阻止其形变位错和 分子链的运动，从而阻止了聚氨酯弹性体结构的大面积破坏，改变了磨屑的形 成机理，使其由纯聚氨酯的大的片状磨屑变为复合材料的小磨屑，从而降低了 聚氨酯复合材料的磨损。 冶银平【1 9 】等人用超声化学方法制备了纳米n i 微粒，并在此的基础上制备了 n i 聚氨酯纳米复合涂层，用x 射线衍射仪和透射电子显微镜表征了纳米n i 微 粒的结构和形貌以及纳米复合材料涂层中n i 微粒的分布；用球盘摩擦磨损试验 机评价了n i 聚氨酯纳米复合涂层的摩擦磨损性能。结果表明：纳米n i 微粒的 平均晶粒尺寸为1 0 r i m ；纳米n i 微粒均匀分布在n i 聚氨酯纳米复合材料复合涂 层中，其颗粒尺寸约为5 0 h m ；n i 聚氨酯纳米复合涂层的摩擦学性能明显优于聚 氨酯涂层。 1 1 5 聚醚醚酮耐磨材料 聚醚醚酮( p e e k ) 具有高强度、高韧性和高耐热性等优异的综合性能，尤 其摩擦磨损性能突出，已成为重要的自润滑减摩耐磨材料，可在无润滑、高温、 潮湿和腐蚀等恶劣环境下取代传统金属材料使用【2 0 】。 潘国良【2 l 】等人研究纳米氧化铝聚醚醚酮复合材料微动磨损特性，发现最佳 配方为含5 w t 的1 5 r i m 粒径砧2 0 3 粉体的p e e k 试样。复合材料的微观磨损机 理主要表现为粘着磨损，粉体粒径和含量变化对磨损机理影响较小。 唐磊【2 2 】等人用液晶聚合物( t l c p ) 、碳纤维( c f ) 、铜粉、m o s 2 等添加 剂对聚醚醚酮( p e e k ) 进行改性制备了改性p e e k 复合材料，讨论了各添加剂 对p e e k 性能的影响，结果表明：用t l c p 、c f 等改性p e e k 可提高p e e k 的 强度和耐磨性，该复合材料能k ? , 网- 1 4 - 足机油类齿轮的使用要求。晶须作为单晶形式 生长的短纤维，具有晶体结构完整、强度和模量高、尺寸小和便于复合填充的 特性。 林有希【2 3 2 4 】等人以碳酸钙晶须为填料制备聚醚醚酮复合材料，发现随着 c a c 0 3 晶须含量增加，p e e k 复合材料的摩擦系数持续降低；磨损率随晶须含量 的增加呈先降后增的趋势，并在晶须含量为1 5 时达最低值，相对纯p e e k 降 低8 6 ；综合考虑，选择填充量为2 5 - 一3 0 时，复合材料具有最佳的摩擦磨损 性价比。又使用耐高温s p e e k 偶联剂对碳酸钙晶须进行表面处理。改善了晶须 4 武汉理工大学硕士学位论文 与p e e k 基体的界面结合，提高了晶须的力学增强效果，填充量1 0 之5 ，复 合材料具有较好的摩擦磨损性能。 w a n gqh 【2 5 】等人研究了在于摩擦和蒸馏水润滑条件下，不同含量纳米s i c p e e k 复合材料的摩擦学性能，通过扫描电子显微镜和电子探针对其磨损表面和 转移膜进行了分析。发现，不管是在干磨还是蒸馏水润滑条件下，s i c 都能大大 的改善p e e k 的复合材料的耐磨性，并且耐磨性依赖于s i c 的含量。在蒸馏水 润滑下，s i c p e e k 复合材料磨损表面有轻微的划痕，在对磨面形成薄、均匀而 坚韧的转移膜，没有添加s i c 的p e e k 磨损表面有较严重的犁痕和侵蚀现象， 并且对磨面非常粗糙，有不连续的p e e k 转移膜形成。因此p e e k ，s i c p e e k 不同的摩擦和磨损是由于其相对应的不同转移膜的形成。 1 1 6 聚醚砜耐磨材料 聚醚砜具有优良的自润滑性，电绝缘性及阻尼性，加之具有芳香结构，使 的它具优良的力学性能，热稳定性，化学稳定性，抗高温蠕变性以及可加工性 能，其t g 为2 2 5 ，长期使用温度可达1 8 0 。c t 2 6 1 。 在聚醚砜中填充适宜填料可以制得摩擦系数低且耐磨性好的聚醚砜复合材 料。玻璃纤维增强聚醚砜复合材料已经用于轴承和其它元件【2 7 】。赵伟岩等【2 8 】利 用碳纤维增强聚醚砜，研究发现，碳纤维使得聚醚砜的摩擦磨损性能得到明显 改善，当碳纤维的体积分数为1 5 时，聚醚砜复合材料的摩擦系数及比磨损率 最低。他们还发现添加固体润滑剂可以使复合材料的摩擦磨损性能得到进一步 的改善。李融峰【2 9 】等人利用正交试验方法，通过物理共混，模压成型工艺，利 用钛酸钾晶须增强聚醚砜，发现钛酸钾晶须的含量为1 5 时，聚醚砜复合材料 的摩擦系数及磨损率最低。 1 2 聚合物材料磨损机理研究 磨损是工业领域和日常生活中常见的现象，也是造成材料和能源损失的重 要原因。材料表面的变化都是源于机械应力、温度以及化学反应的变化的影响， 聚合物特殊的结构和机械性能使得它对于这些因素尤其敏感【3 0 1 。聚合物材料的 磨损通常涉及到几种材料的去除机理，如磨粒磨损、粘着磨损、疲劳磨损和冲 蚀磨损等。 ( 1 ) 磨粒磨损 5 武汉理工大学硕士学位论文 1 9 6 0 年，赫罗绍夫和巴比契夫提出了磨粒磨损微切削理论，认为磨粒磨损 是磨粒对摩擦副表面产生犁沟作用和进行为切削的过程；磨粒的硬度和摩擦副 表面的硬度的相对值是影响磨损的基本因素【3 1 1 。犁沟过程是材料受到磨料的挤 压向两侧隆起，这种过程初始不会引起材料的直接去除，但是多次变形后会产 生脱落而形成二次切屑。微切削过程是指材料在磨料的作用下如刨削一样的切 削过程，可直接造成材料的去除，形成一次切削。这两种材料去除过程都是由 一种由塑性变形机制引起的。 ( 2 ) 粘着磨损 当一固体材料在另一固体材料表面上滑动时或压在其表面上然后拉开时， 由于载荷的存在，固体表面的许多微突点发生塑性变形，微突点粘着、焊合， 进一步的滑动使一些粘着点破坏，材料的磨损由一个表面迁移到另一个表面， 有时也发生反粘附，即被粘附的表面材料又回到原表面上去。这种粘附与反粘 附使材料以自由磨屑状脱落下来。 根据摩擦表面的破坏程度，常把粘着磨损分为4 类【3 2 】： 涂抹当接点的强度介于硬金属硬度和软金属硬度之间，接点的剪切损坏往 往发生在离粘着面不远的较软金属的浅层类，使较软金属粘附并涂抹在较硬金 属表面上，从而成为软金属之间的摩擦与磨损。 擦伤剪切破坏主要发生在较软金属的浅层内，有时硬金属也有擦痕。接点 的强度高于两基体金属，转移到硬表面上的粘结物又擦削较软金属表面。 撕脱接点的剪切破坏主要发生在摩擦副一方或两方的较深处，接点的粘结 强度大于任一摩擦件基体金属的剪切强度。 咬死摩擦副之间粘着面积较大，不能做相对运动。粘着强度比任一摩擦基 体的剪切强度都高，粘着区域大，剪切低于粘着力。 ( 3 ) 疲劳磨损 疲劳磨损是当两个接触体相对滚动或滑动时，在接触区形成的循环应力超 过材料的疲劳强度的情况下，在表面层将引起裂纹，并逐步扩展，最后是裂纹 以上的材料断裂剥落下来的磨损过程。 疲劳磨损有两个典型特征点蚀与剥落j 在疲劳磨损的过程中，存在着应力 疲劳和应变疲劳的区别。应力疲劳，其疲劳裂纹主要是由接触应力引起，裂纹 的萌生和扩展主要取决于应力的大小，裂纹的扩展没有或很少伴随显著的塑性 变形。而应变疲劳，疲劳裂纹主要是由大的应变引起的，在裂纹的萌生区和扩 展区，可观察到明显的塑性变形。 6 武汉理工大学硕士学位论文 ( 4 ) 冲蚀磨损 冲蚀磨损是指材料受到小而松散的流动粒子冲击时表面出现破坏的一类磨 损现象。从广义上来讲，粒子可以是固体，液体和气泡。在他们冲击到固体的 表面时将会发生能量的交换，或者说，两者之间将出现能量再分配，被冲击的 表面可能发生弹性或者塑性变形。 1 9 5 8 年美国的i f i n n i e 发表了冲蚀磨损的为切削模型，说明斜冲时刚性粒子 入射到塑性材料表面造成冲蚀的机理。1 9 6 3 年以来，研究者们陆续提出了冲蚀 的磨损机理、绝热剪切机理、压痕及压锻造理论等等。 1 3 导电聚合物复合材料研究进展 1 3 1 导电聚合物复合材料 导电聚合物复合材料是指以聚合物材料为基体，加入各种固体导电介质， 经过各种复合方式处理后而具有导电功能的多相复合体系【3 引。最近几十年来， 导电聚合物复合材料已广泛地应用于电子元器件、电器设备、航空航天等领域 中。导电聚合物材料的体积电阻率范围，目前国内外还没有统一的标准，一般 将体积电阻率小于1 0 1 0 q c m 的高分子材料称为导电聚合物材料。其中，又将体 积电阻率在1 0 6 , ! 1 1 0 1 0q c m 之间的材料称为抗静电聚合物材料；将体积电阻率在 l o o 1 0 6 q c m 之间的材料称为聚合物半导电材料；将体积电阻率小于1 0 0 q c m 的材料称为导电聚合物材料【3 引。 按照材料的结构和制备方法的不同可将导电聚合物材料分为2 大类：一类是 本征型导电高分子材料，另一类是复合型导电聚合物材料。 本征型导电聚合物材料一般是指聚合物本身或经过少量掺杂后具有导电性 的聚合物材料。自1 9 7 6 年美国宾夕法尼亚大学的化学家m a c d i a m i d 领导的研究 小组首次发现掺杂后的聚乙炔具有类似金属的导电性后，本征型聚合物材料一 直是人们研究的焦点。目前对本征型聚合物材料的研究主要集中在这四类材料： 电子共轭型导电聚合物、电荷转移型导电聚合物、高离子导电聚合物、光导 电聚合物。 复合型导电高分子是以聚合物为母料，与抗静电剂、无机导电填料或亲水 性聚合物混配而成的具有导电性能的复合导电材料。导电填料一般可分为以下 类别：碳系填料、金属系、金属氧化物类、导电高分子类、抗静电剂等。其中， 前三类是使用较为广泛的导电填料。 7 武汉理工大学硕士学位论文 ( 1 ) 碳系导电填料 碳系导电填料按形状划分主要为粉体和纤维2 大类，其体积电阻率范围一般 为0 1 1 0 0 0 q c t r l ，体积电阻率是银的1 0 0 0 倍以上【”】。导电炭黑粒径小、比表面 积大，高结构、表面洁净( 化合物少) ，很容易形成空间导电网络而使复合体 系具有良好的导电性。炭黑按其导电性能和制造方法可分为：导电炉法炭黑 ( c f ) 、超导电炉法炭黑( s c f ) 、特导电炉法炭黑( x c f ) 、乙炔炭黑等。炭 黑导电的主要影响因素有炭黑的粒径、结构、表面状态等 3 6 】。炭黑的粒径在适 当的范围内，炭黑在复合体系中才能良好地分散，同时能增加塑料中单位体积 内炭黑粒子数，提高复合体系的导电性。炭黑的结构主要是由它的聚集体的形 态、尺寸和聚集体中粒子数量所决定，组成聚集体的粒子越多，形成网络结构 的几率越大，导电性越好。由于在炭黑的生产过程中，其表面常形成一些活性 含氧基团，这些基团影响电子的迁移，会使复合材料的导电性下降。因此，导 电复合材料不宜选用含活性基团较多的炭黑。目前，炭黑填充型导电复合材料 领域的研究和开发主要集中在炭黑填料的改性、新型炭黑开发和纳米炭黑等方 面【3 7 1 。 石墨来源丰富，价格低廉，早就作为了导电填料应用树脂基复合材料中。 石墨具有典型的层状结构，石墨最常见的晶系为六方晶系，结构如图1 1 所示。 图1 - 1 石墨晶体结构 武汉理工大学硕士学位论文 石墨的层间距为0 3 3 4 n m ，层面间结合力小，石墨片层间容易相互滑动，因 而石墨具有柔软性和润滑性。层面间由于离域的p i 电子可在晶格中自由的流动， 所以有良好的导电性、导热性，而垂直于层面方向的导电性、导热性较差。但 是石墨的加入量较大，且导电性能不如炭黑优良，对复合材料的成型工艺影响 较大【3 8 1 。一般来说填料粒子越小，涂料的导电性就越好。目前，国内外碳系导 电涂料的发展主要包括以下几个方面的工作：采用偶联热处理、化学接枝等方 法对碳系填料表面进行处理，提高导电性；石墨填料纳米化处理等。李良波等 人【3 9 】采用醇酸树脂为基料，石墨和炭黑为复合导电填料以及溶剂和