高压制备Si3N4-PTFE-EP自润滑复合材料及其摩擦学性能

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陶瓷-聚合物复合材料结合陶瓷强度高和聚合物润滑性能优良等优点,显著提升单一材料的力学性能和摩擦学性能,具有多重设计空间,可满足摩擦学工程应用领域的特殊需求。现有的陶瓷基复合材料制备往往借助于高温,而聚合物基复合材料恰恰受限于高温,因此,高温是制约陶瓷-聚合物复合材料任意比例制备的关键难题。本论文提出高压成型工艺利用高压降低陶瓷材料对高温的依赖性且实现材料的致密化,解决陶瓷-聚合物复合材料常温制备的难题。分别以氮化硅(Si3N4)和聚四氟乙烯(PTFE)为基体相,并添加适量环氧树脂(EP),制备得到一种低摩擦低磨损的Si3N4-PTFE-EP(陶瓷-聚合物)自润滑复合材料。采用现代表征技术对Si3N4-PTFE-EP自润滑复合材料的物理化学性能进行分析,借助球盘式摩擦磨损试验机和白光共聚焦显微镜等设备探究Si3N4-PTFE-EP自润滑复合材料摩擦磨损规律并阐明其作用机理。通过摩擦学试验研究了Si3N4粒度为1~3μm的Si3N4-PTFE-EP自润滑复合材料的制备工艺及配比设计,其合理的制备工艺参数为:粘结剂为EP且添加量为0.15g、高压压强为5GPa且保压时间为20min;70Si3N4-30PTFE-EP复合材料的磨损率达到了10-7mm3(Nm)-1,30Si3N4-70PTFE-EP复合材料的摩擦系数为0.06左右。Si3N4-PTFE-EP复合材料的磨损形式随PTFE质量分数的增加逐渐由磨粒磨损转变为粘着磨损,而疲劳磨损始终存在。通过研究Si3N4粒度为20nm、100nm、500nm、1~3μm及10μm的Si3N4-PTFE-EP自润滑材料摩擦学性能及颗粒的分散性等,发现对20nm Si3N4进行水解处理可提高硅烷偶联剂KH560的枝接率,改善其在有机溶剂中分散性,且枝接率随Si3N4粒度的增大而减小。不同粒度下的Si3N4在经表面改性(M-Si3N4)后的70M-Si3N4-30PTFE-EP与30M-Si3N4-70PTFE-EP复合材料的摩擦学规律具有些许差异。差异在于,粒度越小的Si3N4磨粒越容易在70M-Si3N4-30PTFE-EP复合材料与对偶小球之间形成一种滚动效应,这对降低摩擦系数具有一定的作用。一般而言,在摩擦过程中被剥落的Si3N4颗粒数量随Si3N4粒度的增加逐渐减小,进而表现出更佳的摩擦学性能。特别地,Si3N4粒度为10μm的70Si3N4-30PTFE-EP和30Si3N4-70PTFE-EP复合材料在载荷为5N且滑动速度为3cm/s下具有最佳的摩擦学性能。
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