短切玄武岩纤维增强PPBES耐磨树脂基复合材料性能研究

来源 :大连理工大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:linjinlong19880927
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耐磨树脂基复合材料具有比重轻、耐腐蚀、滑动噪音小、对对偶面损伤小、易于一体化成型等优点,在航空航天、能源化工、海洋工程、汽车交通等领域正逐步替代传统的金属基、陶瓷基耐磨材料。然而,其无法实现兼顾高比强度、高耐温等级和良好的耐磨性,尤其是在高温服役环境下,树脂基复合材料的耐磨性能恶化十分明显,限制了其在航空航天、能源化工等领域的应用。针对以上问题,本文从复合材料的组分选取出发,以高性能耐高温杂萘联苯共聚芳醚砜(PPBES)为树脂基体,高强、高模的环境友好型天然纤维——短切玄武岩纤维(SBF)为增强体,制备出SBF/PPBES耐磨树脂基复合材料,考察SBF对PPBES复合材料机械性能、热稳定性能、摩擦性能的影响及影响机理。结果表明:高强、高模SBF的引入有效改善了PPBES基复合材料的机械强度、热稳定性能和摩擦学性能。30wt.%SBF/PPBES复合材料的弯曲与拉伸强度分别为164MPa、126MPa,比纯PPBES提高了54%与50.5%;SBF/PPBES复合材料的5wt%热失重分解温度(Td5%)与玻璃化转变温度(Tg)随SBF含量增加而逐渐升高,40wt.%SBF/PPBES复合材料的Td5%与Tg分别为521℃、268℃,高于纯PPBES(503℃、250℃);摩擦系数在SBF含量为10wt.%时达到最小值,0.437,比纯树脂(0.509)低了14.1%。为进一步改善SBF/PPBES复合材料的摩擦学性能,设计合成了一种新型耐磨自润滑增强体——纳米Mo S2表面修饰SBF二元杂化材料(Mo S2-SBF),通过SEM、XRD、XPS等分析方法表征了其微观形貌,并以其为填料制备了Mo S2-SBF/PPBES耐磨自润滑树脂基复合材料。对比了不同组分的复合材料力学性能、耐热性能和耐磨性能,探讨了不同环境温度、载荷与滑动速动对Mo S2-SBF/PPBES复合材料的摩擦学性能的影响。结果表明:Mo S2-SBF/PPBES复合材料的力学性能与耐热性能优于Mo S2/PPBES和SBF/PPBES,其硬度、拉伸、弯曲和压缩强度分别为125.7、103MPa、145MPa和173MPa,玻璃化转变温度为264℃,高于Mo S2/PPBES(244℃)和SBF/PPBES(255℃)。在固定载荷(4.5N)与滑动速度(0.3m/s)下,室温环境时Mo S2-SBF/PPBES复合材料摩擦系数与磨损率为0.335与2.81?10-6mm~3/Nm,比SBF/PPBES分别降低23.3%与66.3%;同时,由于其优异的耐热性能,Mo S2-SBF/PPBES在200℃的摩擦系数(0.357)与磨损率(4.17?10-6mm/Nm)比SBF/PPBES分别降低了27.6%与69.0%。在面对不同载荷与滑动速度时,Mo S2-SBF/PPBES复合材料在低载荷(3N)与低滑动速度(0.05m/s)下表现出优异的摩擦学性能,摩擦系数与磨损率分别为0.171和2.22?10-6mm/Nm;但当载荷与滑动速度的增大时,其摩擦学性能明显降低。此外,为提高Mo S2-SBF/PPBES复合材料在高载荷与高滑动速度下的摩擦学性能,分别采用c-BN、Si C、Ti O2等微纳米粒子填充增强Mo S2-SBF/PPBES复合材料,研究了BN、Si C、Ti O2等硬质无机颗粒的引入对Mo S2-SBF/PPBES复合材料力学、耐热性能与摩擦学性能的影响以及影响机理。结果表明:c-BN、Si C、Ti O2等硬质无机颗粒的引入提高了Mo S2-SBF/PPBES复合材料的硬度与耐热性能,但降低了材料的力学性能;c-BN、Si C与Ti O2/Mo S2-SBF/PPBES复合材料的洛氏硬度超过126,Tg均高于266℃,拉伸强度分别为87MPa、91MPa、89MPa,低于Mo S2-SBF/PPBES复合材料(103MPa);c-BN/Mo S2-SBF/PPBES复合材料的摩擦系数与磨损率较之Mo S2-SBF/PPBES略显增加,与之相反,Si C、Ti O2/Mo S2-SBF/PPBES复合材料的摩擦学性能得到改善,Ti O2/Mo S2-SBF/PPBES复合材料摩擦系数和磨损率分别为0.284与2.17?10-6mm~3/Nm;此外,Si C、Ti O2/Mo S2-SBF/PPBES复合材料在高载荷(6N)与高滑动速度(0.5m/s)下摩擦系数与磨损率进一步降低,Ti O2/Mo S2-SBF/PPBES复合材料摩擦系数低至0.219。
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