多孔浸油尼龙6减摩耐磨复合材料的结构设计及性能研究

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随着科技的迅猛发展工业和制造业对摩擦材料在严苛条件下的摩擦性能要求越来越高,聚合物耐磨材料受到了更多的关注。尼龙6材料本身具有优良机械强度、耐磨等性能,可作为日常的摩擦材料使用,但是在苛刻的摩擦条件下,尼龙6材料在使用过程中,因减磨耐磨能力不足而受到限制。本文针对尼龙6的减摩耐磨性能和力学性能缺陷,分别通过多孔浸油结构构筑、氧化石墨烯填充和玄武岩纤维织物增强对尼龙6复合材料结构进行设计,研究了尼龙6复合材料结构特征与对应复合材料力学性能和减摩耐磨性能之间的关联规律,并结合结构表征和性能测试结果分析,探讨了尼龙6复合材料减摩耐磨作用机理。论文主要内容归纳如下:(1)采用挤出注塑、真空浸渍工艺制备了多孔浸油尼龙6(PA6)复合材料,探究造孔剂填充量对尼龙6复合材料孔隙结构、力学性能和减摩耐磨性能的影响规律。通过SEM表征手段对填充不同含量造孔剂的复合材料结构的影响进行了表征,随着造孔剂含量的增加,复合材料的孔隙率随之增加。力学性能结果表明,随着造孔剂含量的增加,多孔浸油PA6复合材料的冲击和拉伸性能呈下降趋势,这是由于造孔剂的加入会导致树脂基体的连续性下降,造孔剂的含量越高,对力学性能影响也越大,使得力学性能下降。此外,在载荷为50N、转速为0.1m/s的摩擦磨损实验条件下,当填充造孔剂质量分数为30wt%时,多孔浸油PA6复合材料的摩擦学性能最优,平均摩擦系数为0.103,磨损率为1.14×10-4mm3/Nm,与纯尼龙6材料相比,平均摩擦系数降低86.6%,磨损率降低74.7%。分析认为,多孔浸油结构可以存储一定的润滑油,在摩擦条件下,润滑油转移到磨损表面,降低了摩擦系数,并提升摩擦稳定性,从而提升了复合材料耐磨能力。(2)基于尼龙6复合材料的多孔浸油结构,引入氧化石墨烯(GO)填充实现液相油润滑与固体润滑剂协同减摩耐磨。通过SEM表征手段对填充不同含量GO的复合材料的结构进行了表征,发现GO的填充会小幅度降低复合材料的孔隙率。力学性能测试结果表明,随着GO填充含量的增加,多孔浸油GO/PA6复合材料的冲击强度呈现先增加后降低的趋势,当承受应力作用时,二维片层结构的GO均匀分散于基体中,能够从基体中吸收能量,提升材料的冲击性能。随着GO填充量进一步增加,复合材料冲击强度明显下降,是由于GO含量过高,使得GO在基体中的分散性变差,从而导致力学性能下降。另一方面,摩擦磨损性能结果显示,当GO填充量为1.0wt%时,多孔浸油GO/PA6复合材料的摩擦学性能最优,平均摩擦系数和磨损率分别为0.072和3.23×10-5mm3/Nm,与多孔浸油PA6复合材料相比,其摩擦系数和磨损率分别降低23.2%和36.3%,表明多孔浸油结构和GO填充结构在复合材料摩擦过程中产生协同减摩耐磨作用,GO填充进一步降低了多孔浸油GO/PA6复合材料的摩擦系数,尼龙6复合材料摩擦稳定性和耐磨性能进一步提升。(3)利用玄武岩纤维织物(BF)优异的力学增强和减摩耐磨性能,制备兼具优异力学性能和高耐磨特征的玄武岩纤维织物/氧化石墨烯/尼龙6(BF/GO/PA6)复合材料。通过SEM表征手段对其自身结构特征进行了研究,能够观察到纤维增强结构和孔隙结构。力学性能结果显示,多孔浸油BF/GO/PA6复合材料的冲击强度达到48.99KJ/m2,弯曲强度为141.89MPa,弯曲模量为6366.20MPa,表明玄武岩纤维织物的加入能够大幅度提升多孔浸油尼龙6复合材料的力学性能。另一方面,在载荷为50N,转速为0.1m/s的摩擦磨损试验条件下,研究发现,玄武岩纤维织物增强的多孔浸油尼龙6复合材料磨损率降低至3.01×10-5mm3/Nm,表明玄武岩纤维织物的引入,实现了对多孔浸油PA6复合材料力学性能和耐磨性能的同步提升。综合多孔浸油、GO填充改性和玄武岩纤维织物增强三方面结构设计对尼龙6复合材料力学和摩擦磨损性能的影响结果,本论文探讨得出了热塑性复合材料的减磨耐磨性能和力学性能优化设计新方法,可为发展新型高性能热塑性减摩耐磨材料起到了一定的启示作用,可望促进聚合物耐磨材料在工业和制造业更广泛应用。
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