六方氮化硼改善聚醚醚酮摩擦磨损性能的研究

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在日常生活与工业生产中,摩擦是广泛存在的不可避免的现象。其合理的利用给我们带来了许多便利,但另一方面,其带来的损耗也会影响生产效率、提高生产成本、限制生产条件。随着科技水平的发展和对工业生产要求的提高,机械的设计、制造和使用过程中对摩擦现象的关注愈发强烈,如何降低摩擦带来的不利影响、提高器件的精度和使用寿命成为了十分具有实际价值的问题。而减磨耐磨材料的出现和发展则为这个问题提供了一种可行性高的答案。聚醚醚酮(PEEK)作为一种高性能的工程塑料,是一种半结晶型的聚合物,分子链上含有苯环、醚键和羰基,结构规整、耐热性能良好、强度与刚度十分优异、化学稳定性极佳且自润滑性能突出。种种优点使其广泛应用于减磨耐磨领域作为高分子复合材料基体。对于聚醚醚酮的性能改善常常添加纤维、固体润滑剂及硬质材料,其成果也得到了广泛的应用。六方氮化硼(h-BN)又被称作“白石墨”,与石墨具有相同的晶体结构,耐高温、具有高导热性,掺杂六方氮化硼可以提高树脂基复合材料的物理性能和摩擦性能,它的高导热性可以迅速发散由摩擦产生的热量,减少热磨损带来的复合材料摩擦损耗。h-BN具有较为广泛的粒径范围,不同粒径的氮化硼在聚合物基体中的分散或团聚状态有所差异,这也会影响到其与聚合物基体的界面结合程度。本文以PEEK作为高分子复合材料基体,为了研究填料尺寸和添加量对复合材料磨损机理的影响,选择了三种不同粒径范围的六方氮化硼,控制实验中的变量,首先逐一地探讨了二者为复合材料摩擦过程的带来的效果区别,再选取了其中良性影响较大的因素进行交叉试验,探究诸多因素带来的协同作用,最后引入了优秀的减磨聚合物——聚四氟乙烯(PTFE),为适应实际应用所需的不同要求提供了不同种针对性的方案,拓宽了材料的应用领域。本文使用摩擦试验机测定材料的摩擦系数,并对材料的磨损率进行了测量和计算,同时利用场发射扫描电子显微镜(SEM)分析摩擦表面的微观形貌,对材料的磨损机理进行了深入的探讨。与此同时,利用热失重(TGA)、动态力学分析(DMA)对复合材料的热性能进行测试,并测试其力学性能,全面的分析讨论了相比于纯PEEK,复合材料在摩擦磨损改性方面的提升和其他方面性能的改善。相比于纯聚醚醚酮,h-BN总添加量为10%,小、中、大三种粒径的氮化硼含量比例为6:2:2和2:2:6的两种混配方式对于PEEK的减磨效果最好,摩擦系数降低了约35%,且相比于摩擦系数的降低,磨损率的升高幅度不大,此时的复合材料可以应用于一些对摩擦系数和磨损率具有普遍要求的情况;而继续向其中加入PTFE可以降低材料46%的摩擦系数,却会显著提升其磨损率,此时的复合材料配方则更适用于一些对磨损率要求不高但需要突出减磨效果的领域。在本论文中,我们使用基础的制备工艺,在不添加任何偶联剂和其他助剂的前提下,制备的复合材料仍具有较好的摩擦性能,经过与其他树脂的复配,成功地提高了材料的整体性能,使得材料更具有使用价值,对后续的研究具有一定的指导意义。
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