（机械工程专业论文）碳纤维尼龙6复合材料的改性与摩擦磨损特性研究.pdf

武汉理工大学博士学位论文 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目 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 ( p a 6 ) 的增强改性。结果表明， 较长碳纤维( s c f ) 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1 1 7 ，模量增幅达到4 2 2 ，硬度增幅达1 7 ，而较短纤维( c f p ) 对韧性提 高更突出，其增幅可达2 4 3 ；添加碳纤维后，p a 6 复合材料摩擦稳定性下降， 摩擦系数在0 2 1 0 2 4 之间( 2 0 0 0r p m ，2 0n ) ，p a 6 s c f 耐磨性能提高明显，s c f 含量为2 0w t 时耐磨性能突出，其磨损率仅为4 3 6 1 0 5m m 3 n m ( 2 0 0 0r p m ，2 0 n ) ，而p a 6 c f p 耐磨性能下降。p a 纠s c f 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。p a 6 c f p 磨损机理以磨粒磨损为主，c f p 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，p a 6 s c f 和 p a 6 c f p 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p a 6 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( g r ) 使p a 6 s c f 复合材料强度、模量、冲击韧性和拉伸韧 性一定幅度提高，c f p 仅对复合材料冲击韧性具有一定改善作用，c f p 和石墨填 充均使p a 6 s c f 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c f p 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， p a 6 s c f g r 摩擦系数在0 2 2 。o 2 4 之间( 2 0 0 0r p m ，2 0n ) ，磨损率在4 3 5 5 7 5 1 0 6 m m 3 n m 之间( 2 0 0 0r p m ，2 0n ) ，石墨含量为5 o w t 时耐磨性能较未填充g r 的p a 6 s c f 提高幅度可达3 0 ( 2 0 0 0r p m ，2 0n ) 。随着载荷、速度和温度的升 高，p a 6 s c f c f p 和p a 6 s c f g r 复合材料摩擦系数均小幅降低，磨损率显著增 大。随着c f p 填充量的增加，p a 6 s c f c f p 复合材料的磨损机制由粘着磨损转为 磨粒磨损，g r 填充的p a 6 s c f g r 磨损机制为粘着磨损。总之，石墨填充对p a 6 s c f 武汉理工大学博士学位论文 复合材料力学和摩擦学性能的提升作用全面强于c f p 填充。 ( 3 ) 对p a 6 一c f p 复合材料采用聚苯硫醚( p p s ) 改性可提高p a 6 c f p 复合 材料的机械强度、刚性和硬度，热塑性聚氨酯弹性体( t p u ) 改性对韧性提高明 显。p a 6 p p s c f p 复合材料摩擦稳定性较低，但耐磨能力远强于p a 6 厂r p u c f p 复合材料。对p a 6 c f p 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，p a 6 p p s c f p 和p a 6 厂1 1 p u - c f p 复合材料 的摩擦系数均降低，p a 6 p p s c f p 复合材料耐磨能力下降，而p a 6 厂r p u c f p 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，p a 6 p p s c f p 复合 材料的磨损方式以粘着磨损为主，而p a 6 t p u c f p 复合材料以磨粒磨损为主。 ( 4 ) 综合基体改性( p p s 、t p u ) 和填充改性( c f p 、g r ) 对p a 6 s c f 复合 材料的摩擦磨损性能，可得到石墨与s c f 复合增强可发挥协同减磨作用，其磨损 率下降幅度可达3 0 ，耐磨性能较p a 6 s c f 复合材料及p p s 、t p u 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，p a 6 c f 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，p a 6 c f 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p a 6 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。 关键词：碳纤维；尼龙6 ；基体改性；填充；力学性能；摩擦磨损 i i 武汉理工大学博士学位论文 a b s t r a c t e n g i n e e r i n gp l a s t i c s s h o w st h e p r e d o m i n a n ta d v a n t a g e s o f h g h t - w e i g h t ， e r o s i o n - r e s i s t a n c ea n d e a s y t 0 - m o l d i n g f b r t h ee x t e n s i v e a p p l i c a t i o n i nt h e m e c h a n i c a la 1 1 de l e c t r o n j c a lf j e l d s h o w e v e f ，i no r d e rt om e e tt h er e q u i r e m e n to f s p e c i a la p p l i c a t i o n s ，i tb e c o m et h ek e yp r o b l e m sn e e d i n gt ob es o l v e do nh o wt o e h a n c et h em e c h a n i c a la n dt r i b o l i g i c a lp r ( ) p e r t i e so fe n g i n e e r i n gp l a s t i c s i nt h i st h e s i s ， t h ec a r b o nf i b e r ( c f ) h a sb e e nu s e dt om o d i f yn y l o n6 ( p a 6 ) p l a s t i c si no r d e rt o i m p r o v et h em e c h a n i c a la n dt r i b o l i g i c a lp e r f b n n a n c e s ，a n de s p e c i a l l yt h ee f ! e 色c t so f t h ec fl e n 舀h ，o t h e rf i l l e r sa n do t h e rp o l y m e f sa st h ec o m p o n e n to fm a t r i xo nt h e p a 6 c fc o p o m s i t e sw e r ea l s oi n v e s t 培a t e d t l l l em a i nw o r ki n t h i st h e s i si sd e p i c t e d a sf b u 0 w s ： ( 1 ) 1 1 1 ec f sw i t ht w od i 骶r e n tl e n 咖sh a v eb e e nu s e dt or e i n f o r c et h ep a 6 p l a s t i c s t h es t r e n 舀h ，s t i 饰e s sa n dh a r d n e s so ft h ec o m p o s i t e sf i u e dw i t hl o n g e rc f ( s c f ) w e r es i m u l t a n e o u s l ye n h a i l c e db y1 1 7 ，4 2 2 a i l d1 7 ，r e s p e c t i v e l y ，w h i l e t h ec o m p o s i t e sf i l l e dw i t hs h o n e rc f ( c f p ) s h o w e das i 萨n i f i c a n ti n c r e a s ei n t o u g h n e s sb y2 4 3f o l do v e rt h a to ft h ep a 6p l a s t i c s h o w e v e r ，t h ea d d i t i o no fc f r e s u l t e di nt h ed e c r e a s eo f 衔c t i o ns t a b i l i t ya i l dt h ef r i c t i o nc o e f f i c i e n to ft h ep a 6 c f c o m p o s i t e sl o c a t e di nt h er a n g eo f0 2 1 o 2 4u n d e rt h el o a df2 0n a n dt h es l i d i n g s p e e do f2 0 0 0 印m 0 nt h eo t h e fh a l l d ，t h ew e a rr e s i s t a n c e o ft h ec o m p o s j t e s c o n t a i n i n gs c fw a se n h a n c e d e s p e c i a l l y ，w h e nt h el o a d i n 哥1 e v e lo fs c fw a s2 0 w t ，t h er e s u l t a n tc o m p o s i t e ss h o w e dt h eb e s tp e 渤r m a n c eo fw e a rr e s i s t a n c e ，a n d t h ew e a rr a t ew a sm e a s u r e da s4 3 6 1 0 m m 3 n mu n d e rt h el o a do f2 0na n dt h e s l i d i n gs p e e do f2 0 0 0 叩m a t h es a m et i m e ，t h ea d d i t i o no fc f pr e s u l t e di n1 0 w e r w e a rr e s i s t a n c e t 1 1 es e mo b s e r v a t i o ns h o w e dt h a tt h ew e a u rm e c h a n i s mo ft h e c o m p o s i t e sc o n t a i n i n gs c fa n dc f pw e r ea d h e s i v ew e a ra n da b r a s i v ew e a r ， r e s p e c t i v e l y t h ew e a r i n gd e g r e eo f t h ef o n n e rd e c r e a s e dw i t ha ni n c r e a s eo ft h es c f c o n t e n t ，b u tt h ew e a r i n gd e 伊e eo ft h el a t t e ra r g u m e n t e dw i t ha i li n c r e a s eo ft h ec f p c o n t e n t w i t ha ni n c r e a s ei nt h el o a d ，t h es l i d i n gs p e e da n dt h ew o r k i n gt e m p e r a t u r e ， m ef r i c t i o nc o e f f i c i e n to ft h ep a 6 c fc o m p o s i t e sd e c r e s s e dt o g e t h e rw i t ht h ei n c r e a s e o fw e a rr a t e s c fs h o w e db e t t e rw e a rp e 向m a n c e s 0 v e r a l l ，t h ee n h a n c e m e n to f i i i 武汉理工大学博士学位论文 s c fo nt h em e c h a n i c a la n dt r i b 0 1 0 9 i c a lp r o p e r t i e so ft h ep a 6 c fc o m p o s i t e sw a s b e t t e rt h a nt h a to fc f p ，a n de s p e c i a l l yt h ec o n l p o s i t e sf i l l e dw i t hs c fh a dt h e p r e d o m j n a l l t w e a rp e d o 加a i l c e su n d e rh i g l l l o a d ，h i g hs l j d j n gs p e e d a 1 1 dh i g l l t e m p e r a t u r e ( 2 ) f o rt h ep a 6 s c fc o m p o s i t e s ，t h es i m u l t a i l e o u sa d d i t i o no f 孕a p h i t e ( g r ) a n d c f pr e s u l t e di nt h ef i l n h e re l l h a n c e m e n to f s t r e n 勘，m o d u l u s ，t o u g l l i l e s s a n d p l a s t i c i t y ， w h i l et h ec f p f i l l e dp a 6 s c f c o m p o s i t e sj u s t s h o w n s l i g h t l y i m p r o v e m e n to nt h et o u 曲n e s s h o w e v e r ，t h e 矗i c t i o ns t a b i l i t yd e c r e a s e dt o g e t h e r w i t ht h ei n c r e a s eo ff r i c t i o nc o e f f i c i e n t o nt h eo t h e rh a n d ，i ti sw o n ho fn o t et h a tt h e w e a rr a t ed e c r e a s e ds l i g h t l y a tt h es a m et i m e ，i nc o n t r a s tw i t ht h ec f p f i l l e d p a 6 s c fc o m p o s i l e s ，t h eg r f i l l e dp a 6 s c fc o m p o s i t e se x h i b i t e dh i g h e rf h c t i o n s t a b i l i t ya n dl o w e rf r i c t i o nc o e f f i c i e n ta n dw e a rr a t e ，w i t ht h ef r i c t i o nc o e f f i c i e n to f 0 2 2 o 2 4a l l dw e a rr a t eo f4 3 5 5 7 5 1 0 5m m 3 n ma tt h ec o n d i t i o no f2 0 0 0r p ma n d 2 0n w i t ha ni n c r e a s eo ft h el o a d ，t h es l i d i n gs p e e da n dt h ew o r k i n gt e m p e r a t u r e ，t h e f r i c t i o nc o e f f i c i e n ts l i 曲t l yd e c r e a s e da 1 1 dt h ew e a rr a t es i g i l i f i c a n t l yi n c r e a s e df o rt h e p a 6 s c fc o m p o s i t e sm o d f i e dw i t hc f pa l l dg r t 1 1 es e mo b s e r v a t i o ns h o w e dt h a t t h ef u n h e ra d d i t i o no fc f pr e s u l t e di nt h et r a n s f o 玎n t i o n 丘o ma d h e s i v et oa b r a s i v e w e a rf o r t h er e u l t a n tc o m p o s i t e sw h i l et h ef u r t h e ra d d i t i o no fg rd i dn o ti n t e r f e r ew i t h t h ea d h e s i v em e c h a n i s mo ft h ep a 6 s c fc o m p o s i t e s h 1c o n c l u s i o n ，t h eg rs h o w e d m o r ep r e d o m i n 柚te f f e c t so fe n h a n c i n gm e c h a n i c a la i l d t r i b 0 1 0 9 i c a lp e r f o 珊a i l c e s t h a nc f p ( 3 ) t or e g u l a t et h em e c h a i l i c a lp e 哟瑚a 1 1 c e so ft h es h o r t e rp a 6 c f pc o m p o s i t e s ， o t h e rp o l y m e rw a si n t r o d u c e da st h e c o m p o n e n to f m a t r i x t h ea d d i t i o n0 f p o l y p h e n y l e n es u l f i d e ( p p s ) r e s u l t e di nt h ee n h a n c e m e n to fs t r e n g t h ，r i g i d i t ya n d h a r d n e s sf o rt h ep a 6 c f pc o m p o s i t e sw h i l et h et h e 肌叩l a s t i cp 0 1 y u r e t h a n e ( 1 1 p u ) s i 印i f i c a n t l yi m p r 0 v e dt h et o u 曲n e s so fp a 6 c f pc o m p o s i t e s 舢t h o u 曲t h e 航c t i o n s t a b i l i t yo f t h ep a 6 p p s c f pc o m p o s i t e sw a sp o o r e rt h a nt h a to ft h ep a 6 1 甲u - c f p c o m p o s i t e s ， t h ep a 6 p p s - c f p c o m p o s i t e ss h o w e dt h ep r e d o m i n a n ta b i u t yo f w e a r - r e s i s t a n c e a sar e s u l t ，t h ee n h a n c e m e n to fr i g i d i t ya n dh a r d n e s sc o n t r i b u t e dt o t h ew e a r - r e s i s t a n c e w i t ha ni n c r e a s eo f1 0 a da n ds l i d i n gs p e e d ，b o t ht h e 丘i c t i o n c o e 仃i c i e n ta n dw e a r - r e s i s t a n c eo ft h ep p s a n dt p u - m o d i f i e dp a 6 c f pc o m p o s i t e s d e c r e a s e d a tt h i st i m e 、t h em o d i f i c a t i o no ft p uc o n t r i b u t e dt o1 0 wf r i c t i o n 武汉理工大学博士学位论文 c o e f f i c i e n ta n dh i 曲w e a r - r e s i s t a i l c e t 1 1 es e mo b s e a t i o no ft h ew e a r i n gs u r f a c e s h o w e dt h a tt h ew e a rm e c h a n i s m so ft h ep p s a n dt p u m o d i f i e dp a 6 c f p c o m p o s i t e sw e r em a i n l ya s s i g n e dt oa d h e s i v ew e a ra n da b r a s i v ew e a r ，r e s p e c t i v e l y ( 4 ) b a s e do nt h ee f f e c t so fo t h e rf i l l e ra n do t l l e rp o l y m e ra st h ec o m p o n e n to f m a t r i xo nt h ep a 6 c fc o m p o s i t e s ，i tc a nb ec o n c l u d e dt h a tt h es i m u l t a n e o u sa d d i t i o n o fg ra n ds c fc o n t r i b u t e dt ob e t t e rf u n c t i o n0 fw e 甜r e s i s t a n c ea n dr e s u l t e di nt h e d e c r e a s eo fw e a rr a t eb y3 0 ，a n dt h er e s u l t a n tc o m p o s i t e se x h i b i t e dt h eb e s t t “b o l o g i c a lp e r f b n n a n c e sa m o n ga l it h ec o m p o s i t e si nt h i st h e s i s ，i n c l u d i n gt h eo n l y s c f - f i l l e rc o m p o s i t ea n dt h ep p s - a n dt p u - m o d i f i e dp a 6 c f pc o m p o s i t e s ( 5 ) t h ee f f e c t so fc o m p o s i tm o d i f i c a t i o no nt h ep e r f b n n a n c e sw e r ei n v e s t i g a t e d ， a n dh e n c et h er e l a t i o n s h i p sb e t w e e nm e c h n i c a la n dt r i b o l o g i i c a lp r o p e r t i e sw e r e e s t a b i l i s h e d t h er e s u l t ss u g g e s t e dt h a tt h ee n h a n c e m e n to fs t r e n g t h ，m o d u l u sa n d h a r d n e s sc o n t 曲u t e dt o g o o dt r i b o l i g i c a lp r o p e n i e s a tt h es 锄e t i m e ， t h e i n t r o d u c t i o no fo t h e rf i l l e r sa n do t h e rp o l y m e r sa st h ec o m p o n e n to fm a t r i xc o u l da l s o b eu s e dt o r e g u l a t et h em e c l l i l i c a l a l l d t 曲o l o 酉c a lp r o p e r t i e so f t h er e s u l t a i l t c o m p o s i t e s b a s e do nt h er e s u l t sm e n t i o n e da b o v e ，t h ee f f e c t so ft h ec f1 e n 舀ho nt h e m e c h a i l i c a la n dl r i b o l o 舀c a lp r o p e f t i e sf o r t h ep a 6 c fc o m p o s i t e sw e r eu n d e f s t o o d ， a n di ti st h ef i r s tt i m et oe n h a n c et h em e c h a l l i c a la n dt r i b o l o g i c a lp r o p e r t i e sb y c o m b i n i n g t h ef i b e rr e i n f o r c e m e n tw i t ht h e b l e n d i n g o f p 0 1 y m e r m a t r i x s i m u l t a n e s o u l y f u r t h r e m o r e ， t h e t r i b o l o 酉c a l m e c h a n i s m sf o r t h e c o m p o s i t e s p r e p a r e db ym a n ym o d i f i c a t i o nm e t h o d sw e r ec o n c l u d e d t h ee f f 色c t so fc o m p o s i t e m o d i f i c a t i o no nt h ep e r f o 衄a n c e so ft h ea s p r e p a r e dm a t e r i a l sw e r ep r o v e d ，a n d h e n c et h e r e l a t i o n s h i p s b e t w e e nm e c h l l i c a la n d t r i b o l o g i i c a lp r o p e r t i e s w e r e e s t a b i l i s h e d t h e s ev a l u a b l er e s u l t sp r o v i d e dt h ef i l n d a m e n t a l t h e o r ya sag u i d ef o r t h e d e s i g i l a n d m a n u f a c t u 血g o f h i 曲- p e 渤m a n c e c f - f i l l e d e n g i n e e r i n g p l a s t i c s b a s e dp a r t s k e y w o r d ：c a r b o nf i b e r ；p a 6 ；m a t r i xm o d i f i c a t i o n ；f i l l i n g ；m e c h a n i c a lp r o p e n i e s ； f r i c t i o na n dw e a r v 武汉理工大学博士学位论文 第一章绪论弟一早珀了匕 随着能耗和制造成本的要求越来越高，传统机械零部件所采用的金属材料 越来越难以适应要求。工程塑料作为构造和机械零部件用的高性能塑料，具有 质量轻、制造成本低、容易润滑、噪声低、耐腐蚀、化学性质稳定、减震、制 造工艺简单、可设计性强等优点，因此被广泛关注，并成功应用于手动工具、 医疗器械、半导体设备、电子电器、汽车工业等领域，已成为当今世界发展最 为迅速的工程结构和机械零部件材料【卜3 | 。常规工程塑料零部件因强度和模量低、 摩擦学性能不足等而难以实现广泛应用，而且不同应用场合对零部件材料的性 能要求不同，因此，针对工程塑料的特点，研究开发具有适应不同工况条件且 力学和摩擦学性能可调控的新型高性能工程塑料零部件越来越有必要1 4 6 j 。碳纤 维作为一种高比强度和高比模量的高性能纤维，除具有优异的力学性能外，还 兼具密度低、耐高温、耐腐蚀、耐摩擦、抗疲劳、震动衰减性高、导电及热传 导性高、热膨胀系数低、光穿透性高、电磁屏蔽性等诸多优良特性i7 1 ，将碳纤维 用于增强工程塑料，可获得力学和摩擦学性能优异的新型复合材料1 8 9 | 。因此， 针对碳纤维增强工程塑料机械零部件的力学和摩擦学要求，研究碳纤维增强工 程塑料复合材料的摩擦磨损规律和机理，探讨其摩擦学改性方法和机制，对于 促进工程塑料零部件更广泛应用具有重要意义。 1 1 工程塑料在机械零部件领域的应用现状 工程塑料是指一类可以用作结构材料的塑料，工程塑料按耐热等级分为通 用工程塑料和特种工程塑料，通用工程塑料指尼龙( p a ) 、聚碳酸酯( p c ) 、 聚甲醛( p o m ) 、聚苯醚( p p 0 ) 和聚对苯二甲酸丁二醇酯( p b t ) 等五大工程 塑料，耐热性更高的氟塑料、聚苯硫醚( p p s ) 、聚砜( p s f ) 等称作高性能工 程塑料或特种工程塑料【1 0 j 。工程塑料具有使用温度范围宽、寿命长、性能稳定、 能够承受机械应力作用等特点，广泛应用于电子电器、交通运输、机械建筑等 领域，其中电子电气和交通运输工具是工程塑料的两大应用市场，在电子电气 领域，工程塑料用于制作电视机外壳、底座、电子器件等，应用于汽车上，可 制作内饰件、覆盖件等。作为机械零部件，工程塑料制备出的发动机部件、传 动轴、齿轮、皮带轮、凸轮、轴承、制动器以及离合器等机械零件广泛应用于 武汉理工大学博士学位论文 各行各、1 ，1 1 j 。 与传统金属零部件相比，工程塑料零部件具有非常突出的优势，工程塑料 零部件密度低、质量轻，化学稳定性好，电绝缘性能优异，耐磨减摩，吸声、 减振、耐冲击、耐疲劳等特性，此外其原材料价格低廉、成型加工简单、产品 可设计性强，因此，工程塑料不仅在许多领域可替代传统金属零部件，而且还 可应用于许多传统金属零部件不宜使用的领域【12 ，1 3 j 。与此同时，工程塑料作为 机械零部件也存在明显缺陷，干摩擦条件下，工程塑料摩擦系数大，材料磨损 增加；机械强度低，在高速重载条件下，机械零部件容易疲劳失效；熔点多在 1 3 0 2 6 0 。c ，长期使用温度仅为1 0 0 。c ，只有极少量品种使用温度可超过2 0 0 。c ， 不适于高温环境下连续工作；线膨胀系数约比金属大4 1 0 倍，自身0 0 1 8 的 吸湿率也易产生膨胀变形，从而导致零部件尺寸稳定性差，上述缺陷极大限制 了工程塑料零部件在高载荷、高速度及其它复杂工况下的使用，因此，纯工程 塑料难以实现应用要求，往往需采用共混、填充等方法对其进行改性。 随着工程塑料零部件应用领域的不断扩展，适用于不同载荷、速度、温度 等复杂工况条件下的机械零部件对工程材料的机械和摩擦磨损性能的要求越来 越高，越来越多的机械零部件要求工程塑料复合材料具备高强度、刚性、尺寸 稳定性的同时，还必须具备优良的摩擦磨损性能【1 珥i ，且根据应用场合的不同， 机械零部件对材料的力学和摩擦学性能要求具有不同特点，例如，作为典型的 机械零部件，齿轮的工作特点决定只有摩擦系数小、磨损率低、模量高、刚性 大、抗弯强度高、滞后热效应差的高分子材料才能作为齿轮材料【1 5 1 ，而皮带轮 的工作特点则要求材料摩擦系数较大、耐磨、抗疲劳，因此，根据实际应用需 要，研究开发具有优良机械和摩擦磨损性能、且其性能具有可设计性的工程塑 料复合材料越来越有必要。国内外研究已表明，通过纤维增强、无机粒子填充、 纤维无机粒子混杂、树脂共混等方法可有效改善和调控工程塑料的摩擦学性能 1 6 ，l 7 1 。 1 2 工程塑料摩擦学改性研究进展 1 2 1 纤维增强改性 纤维具有很高的强度和刚性以及良好的热稳定性和抗化学腐蚀能力，不仅 可以提高聚合物机械性能、延长使用寿命，还可以在摩擦过程中优先承担部分 2 武汉理工大学博士学位论文 载荷，提高复合材料的热导率和热稳定性【18 l ，从而改善聚合物的摩擦磨损性能。 增强工程塑料的纤维有碳纤维( c f ) 【1 9 】、玻璃纤维( g f ) 【2 0 】、聚合物纤维【2 1 】、 金属纤维等。不同种类纤维对工程塑料摩擦学性能的改性具有不同特点， k u k u r e k a 等【2 2 j 研究表明芳香族聚酰胺纤维改性对p a 6 6 摩擦因数影响不大，而玻 璃纤维和碳纤维改性可明显降低p a 6 6 的摩擦因数，三种纤维改性都可提高p a 6 6 的耐磨能力。s r i n a t h 等【2 3 】研究认为玻璃纤维比碳纤维能更有效地改善p a 6 6 的 抗磨性能。张招柱等【2 4 】认为碳纤维、玻璃纤维及钛酸钾( k 2 t i 6 0 1 3 ) 晶须可以阻 止p t i 砸带状结构的大面积破坏，使其由大片状磨屑变为复合材料的小磨屑，从 而降低复合材料的磨损，其中玻璃纤维增强复合材料的磨屑最小，磁t i 。o ，。晶须 增强复合材料的磨屑最大，同时炭纤维和玻璃纤维的承载能力较好，k 2 t i 6 0 ，3 晶须的承载能力较差。 1 2 2 金属及其化合物填充改性 适量填充各类金属及其化合物粒子可以有效改善聚合物的力学和摩擦学性 能，粒子的种类、尺寸以及填充量大小对聚合物摩擦磨损性能具有重要影响， 恰当地填充金属及其化合物粒子可对聚合物复合材料摩擦磨损性能进行调控以 适于复杂工况条件下的应用【2 5 ，2 6 1 。金属及其化合物粒子由于具有力学强度高、 线膨胀系数小及导热性好等优点，可以提高聚合物复合材料的承载能力，减小 变形，作为聚合物改性填料，金属及其化合物可增大聚合物基体的剪切强度， 提高聚合物转移膜与聚合物基体之间的粘结强度，从而改善聚合物复合材料的 摩擦学性能。国内研究人员已报道了铝粉、c u o 、灿2 0 3 、f e 3 0 4 、z n o 、c e o 、 l a f 2 、l a 2 0 3 等金属或金属化合物氧化物改性尼龙1 0 1 0 复合材料的摩擦学性能， 结果表明不同种金属氧化物均能不同程度改善尼龙1 0 1 0 的摩擦磨损性能【2 7 。到， b a h a d u r 等【3 3 3 5 1 研究了c a o 、c a s 、c a f 2 、z n 、z n s 、z n o 、z n f 2 、s n o 、s n s 和 s n f 2 填充p a l l 复合材料的摩擦学性能，发现凡是能减少复合材料磨损量的填料 在摩擦过程中都发生了化学反应，而增加复合材料磨损量的填料在摩擦过程中 都没有发生化学反应，填料的化学反应通过增加转移膜与对偶的键合强度对复 合材料摩擦磨损性能产生影响。 1 2 3 固体润滑剂填充改性 p h l e 3 6 】、m o s 2 【3 7 ，3 引、石墨【3 9 ，删、石蜡【4 1 1 、石墨烯【4 2 】等固体润滑剂也被广 武汉理工大学博士学位论文 泛用于改善工程塑料复合材料摩擦学性能，固体润滑剂能够在在摩擦过程形成 稳定的润滑膜，有利于降低材料的摩擦系数和磨损率。具有层状结构的固体润 滑剂容易借助摩擦偶间的压力和运动，从聚合物表层中脱离成磨粒并被磨薄磨 小，并填充在摩擦材料表面的凹坑处，对摩擦接触起到均化作用，随着固体润 滑剂的不断积累，摩擦表面逐渐形成不连续的转移膜，膜间的良好接触状态可 改善表面温度的不均匀性，有效抑制高温磨损【4 0 l 。p t f e 作为性能优异的固体润 滑剂，由于具有特殊的长线性分子链结构，在摩擦过程中，能在其表面与偶件 表面形成低剪切强度转移膜，从而展现出较低的摩擦系数【4 引。 1 2 4 纳米材料改性 随着纳米科学的发展，采用纳米化的无机粒子改性尼龙摩擦磨损性能得到 了研究人员的广泛关注。纳米复合材料兼有纳米粒子自身的小尺寸效应、表面 效应、粒子协同效应，纳米粒子与基体结合紧密，摩擦剪切作用时，不易与基 体脱离，且脱离的纳米粒子在瞬间摩擦高温下会镶嵌在摩擦副表面，对摩擦表 面可起到修复作用，因此，与普通粒子相比，其对工程塑料的摩擦学改性效果 更为显著【4 4 ，4 5 1 。x u e 掣4 6 1 的研究显示，纳米级s i c 比微米s i c 及s i c 晶须能更 有效地增强聚醚醚酮( p e e k ) 的耐磨性能。添加质量百分数为1 0 纳米s i c 的 p e e k 复合材料，在摩擦对偶面形成了薄而均匀且黏着力强的转移膜，而微米 s i c 及s i c 晶须增强p e e k 复合材料在摩擦过程中磨损和犁切作用较严重。 s u r e s h ab 等发现纳米填料通过促进p a 6 卯p 复合材料形成稳定转移膜来提高复 合材料的耐磨性能【堋，c h a n g 等【钙】认为纳米粒子在摩擦副之间的积极滚动效应 能够提高p a 6 6 复合材料承负载荷能力，并由此达到有效改善复合材料减摩耐磨 性能的目的。 1 2 5 聚合物共混改性 单一聚合物往往不能满足复杂工况条件的要求，聚合物共混改性工艺简单， 所得到的共混材料性质连续变化，这使得它在聚合物研究和应用领域得到了迅 猛发展【4 9 ，5 0 j 。在摩擦学领域，聚合物共混改性是改善聚合物摩擦磨损性能的有 效方法之一。c h e n 等【5 1 】研究了p p s 共混改性p a 6 6 复合材料的摩擦学性能，结 果表明p p s 含量为3 0 v 0 1 时，p a p p s 共混物力学性能最佳，p p s 含量为2 0 v 0 1 时，摩擦率最低，c h e n 掣5 2 j 还采用h d p e g m a h 对p a 6 6 h d p e 相容性进行改 4 武汉理工大学博士学位论文 善，结果表明相容剂的添加大幅度提高了p a 6 6 h d p e 的力学性能，通过共混改 性所制备的p a 6 6 h d p e 共混物摩擦系数明显低于p a 6 6 。李发新等【5 3 】研究了 p a 6 t p u 共混物耐磨耗性，结果表明聚酯型t p u 对p a 6 耐磨性的改性效果优于 聚醚型皿u ，且随着耶u 用量的增大，共混物耐磨性能逐渐提高。 1 2 6 多元复合改性 纤维和无机粒子混杂改性工程塑料一方面可发挥纤维改性增强提高复合材 料抗拉伸、弯曲和冲击的优点，另一方面无机粒子还可改善复合材料强度、耐 磨能力并增加转移膜与摩擦偶的粘结强度，混杂增强可充分发挥纤维和无机粒 子的各自优势，同时能够克服单一增强相的缺点，因此具有一定的协同改性效 果，可用于进一步改善和调控p a 摩擦学性能。b a l l a d u r 等【5 4 j 研究了p a l l c u s c f