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1、酸碱腐蚀对聚酰亚胺/碳纤维复合材料摩 擦与磨损性能的研究学生：黄玮指导教师：王晓东主要内容研究背景 实验部分 结果与讨论 总结研究背景 聚酰亚胺(PI)具有突出的热稳定性、 良好的抗冲击 、 抗辐射和耐溶剂性能，在高温、 高低压和高速等极端 环境下有很好的摩擦磨损性能 ，是一类很有潜力应用于 摩擦学领域的基体材料13 。但纯 PI 因较低的抗拉 、 抗压强度 ，不适宜单独作为摩擦材料使用，而加入增 强纤维后可得到力学性能和摩擦性能优异的 PI复合材料 4 5。作为一种新型非金属材料，碳纤维的应用遍及 航空、航天、建筑、文体等各个方面。由于具有低密度， 高比强、比模的特点，碳纤维常常被作为制备高
2、性能复合 材料的增强物质。 因此研究碳纤维增强 PI的性能对开发高性能耐热性复合材料 ，拓宽聚酰亚胺的应用范围具有重要意义。影响 聚酰亚胺复合材料摩擦与磨损性能的因素很多，本文采用 了盐酸与氢氧化钠对聚酰亚胺/碳纤维复合材料进行表面 处理，考察了两种处理方法对碳纤维增强聚酰亚胺复合材 料摩擦磨损性能的影响。采用BRUKER Tensor 27 傅里叶 变换衰减全反射红外光谱仪(ATR)测定处理前后材料的傅 里叶变换红外光谱，采用扫描电子显微镜（SEM）观察磨 损表面形貌，初步探讨了材料磨损机理。实验部分 实验原料 热塑性聚酰亚胺（TPI）模塑粉，实验室自制； 碳纤维（CF），上海炭素厂； 丙酮
3、，分析纯，上海申博化工有限公司； 质量分数为36%38%盐酸溶液，分析纯，上海中试化工总公司 ; 氢氧化钠固体，分析纯，西陇化工股份有限公司 。 实验步骤 1）试样加工 将碳纤维与PI树脂机械混合后，热模压成型，模压温度 340 、压力12 MPa，保温保压1 h，降温至200 脱模。 机加工成环试样。 2）碳纤维/聚酰亚胺环表面处理 分别取5个碳纤维/聚酰亚胺环，先用500 #氧化铝耐水砂纸 打磨，使各处环的高度误差不超过0.1mm，再用丙酮洗干 净，用数字微显卡尺测出环的外径，内径和高度并记录， 然后分别放入质量分数为10%的盐酸溶液和10%氢氧化钠 溶液中浸泡10分钟、20分钟、30分钟
4、、60分钟、90分钟， 取出后放在AUY220电子天平上测出各个环在空气和水中的 质量并求出密度。摩擦实验：实验设备： MPX-2000型摩擦磨损试验机试样尺寸：上环（试样）为34257 mm ；下环（钢环）为34226 mm实验条件: 线滑动速度为0.5 m/s, 载荷 0.5 MPa， 实验数据在线纪录表征：QUANTA200型低真空扫描电子显微镜SEM，BRU KER Tensor 27 傅里叶变换衰减全反射红外光谱仪ATR结果与讨论 酸碱处理前后的CF/PI红 外谱图 图1 （a）PI/CF经HCl处理后的红外谱图未处理的CF/PI存在明显的亚胺特征峰1780cm-1 （ C=O)，1
5、720cm1(C=C)，1370cm-1（C=O），经HCl处理 后，各特征峰的位置没有发生改变。 图1（b）PI/CF经NaOH处理后的红外谱图当用NaOH处理10分钟后，聚酰亚胺1780cm-1处的特征峰 消失，随着处理时间的增加，聚酰亚胺1720cm-1处的特征峰明 显减弱，1370cm-1处的特征峰逐渐转移成 1418cm-1特征峰 ， 表明在经过碱处理后 ，亚胺结构转变成胺酸结构。 表面处理方法对材料摩擦磨损性能的影响 图2(a) 盐酸处理对CF/TPI复合材料摩擦性 能的影响 经盐酸处理后，CF 改性TPI复合材料 的摩擦系数呈现出 明显下降趋势，盐 酸处理样品10分钟 时摩擦系数
6、最低较 未处理下降了 32.6%。不同处理 时间对摩擦系数影 响不大，而磨损率 却随着处理时间的 增大呈现稍微增大 趋势。图2(b) 氢氧化钠处理对CF/TPI复合材料 摩擦性能的影响碱处理对材料的摩擦系数 影响不大，而磨损率急剧 增大。氢氧化钠处理30分 钟的材料的磨损率比未处 理的材料提高了58%。分 析认为聚酰亚胺复合材料 用10%的NaOH溶液处理 过后发生开环反应，基体 变得疏松造成材料内部缺 陷，摩擦过程中CF易从 基体脱落，富集在摩擦表 面，导致严重的磨粒磨损 ，表现为材料的磨损率急 剧增大。酸碱处理条件下PI复合材料的磨损表面 酸处理条件下复合材料的磨损表面SEM分析 未处理的
7、CF/PI未经处理的材料表面很平整，碳纤维与基体结合良好 。HCl-10HCl-30复合材料摩擦表面有 轻微的塑性形变迹象 ，表面粘有磨屑，仅 有部分出现断裂现象 ，呈粘着磨损特征。摩擦表面粘有大量磨 屑，并伴随有轻微的 滑痕，碳纤维由长条 状断裂成几部分，磨 损的主要机制是严重 的黏着磨损和轻微的 磨粒磨损 。HCl-60HCl-90随着盐酸处理时间的进一步 增大，盐酸的腐蚀作用增强 ，碳纤维被刻蚀，自身强度 下降，因此易于断裂。大量 的碳纤维从基体脱落，导致 严重的磨粒磨损，磨损表面 出现由于碳纤维剥落后留下 的凹坑。碱处理条件下复合材料的磨损表面SEM分析 NaOH-10NaOH-20材
8、料磨损表面沿 滑动方向有明显 犁沟， 沿滑动垂 直方向存在微裂 纹，表现为黏着 磨损和磨粒磨损 特征 。摩擦表面发生严重 的塑性变形和剥落 迹象。 NaOH-30NaOH-60NaOH处理30分时， 磨损表面被严重拉伤 ，犁沟明显，而且有 大量磨屑散落，呈现 出明显的磨粒磨损特 征。NaOH处理60分钟时碳 纤维严重断裂，部分 从基体脱落，表面留 下大量凹槽， 材料表 面粗糙，存在裸露纤 维，较硬的碳纤维在 摩擦过程中通过微观 切削使材料摩擦表面 产生犁沟，所以摩擦 系数和磨损率都较大 。NaOH处理90分钟时，由于基体的水解大部分的碳纤维已经 从基体中脱落出来，突出的纤维被磨平磨损主要是基体
9、的磨损 和纤维的磨平，所以摩擦系数最小，磨损率也紧比空白样大一 点点。NaOH-90结论本文以碳纤维改性聚酰亚胺复合材料为研究对象，考察了不同的表面处理方法对碳纤维改性热塑性聚酰亚胺复合材料摩擦磨损性能的影响，初步探讨了复合材料的摩擦磨损机理。主要研究成果总结如下：（1）经盐酸处理后，CF改性TPI复合材料的摩擦系数呈现出明显下降趋势，盐酸处理样品10分钟时摩擦系数最低较未处理的样品下降了32.6%。不同处理时间对摩擦系数影响不大，而磨损率却随着处理时间的增大呈现稍微增大趋势。（2） 碱处理对材料的摩擦系数影响不大，而磨损率急剧增大。氢氧化钠处理30分钟的材料的磨损率比未处理的材料提高了58%
10、。分析认为聚酰亚胺复合材料用10%的NaOH溶液处理过后发生开环反应，基体变得疏松造成材料内部缺陷，摩擦过程中CF易从基体脱落，富集在摩擦表面，导致严重的磨粒磨损，表现为材料的磨损率急剧增大。（3）未处理的 CF/PI存在明显的亚胺特征峰 1780cm-1(C = O) ，1720cm-1 (C=C)，1370cm-1 (C=O)，经HCl处理后，各特征峰的位置没有发生改变。（4）当用NaOH处理10分钟后，聚酰亚胺1780cm-1处的特征峰消失，随着处理时间的增加，聚酰亚 胺1720cm-1处的特征峰明显减弱，1370cm-1处的特征峰逐渐转移成 1418cm-1特征峰 ， 表明在经过碱处理
11、后 , 亚胺结构转变成胺酸结构。（5）磨损前、后聚酰亚胺的特征峰没有发生改变， 物理的机械作用不会改变基团位置。通过近一步研究 发现经过酸碱 处理材料后再进行磨损情况也如此。参考文献 1 丁孟贤, 何天白. 聚酰亚胺新材料M . 北京: 北京科 技出版社, 1998. 2 杜善义.先进复合材料与航空航天J .复合材料学报 , 2007 ,24 (1) : 1212.Du Shanyi. Advanced compos ite materials and aerospace engineeringJ . Acta Materiae Compositae Sinica , 2007 , 24 (1
12、) : 1212. 3 王 凯, 詹茂盛, 高生强, 等.可熔体加工热塑性聚酰 亚胺研究进展J .宇航材料工艺, 2004 (3) : 5215. Wang Kai , Zhan Maosheng , Gao Shengqiang , et al . Development of melt2processable t hermoplastic polyimidesJ .Aerospace Materials & Technology , 2004 (3) : 5215. 4 贺 福. 碳纤维及其应用技术M . 北京: 化学工业出 版社,2004 : 288-289. 5 Xu Bing , W
13、ang Xiaoshu , Lu Yun. Surface modification ofpolyacrylonit rile2 based carbon fiber and it s interaction wit himide J . Applied Surface Science , 2006 , 253 ( 5) : 2695-2701. 6 Sarac A Sezai , Springer J rgen. Elect rograf ting of 3 2met hylt hiophene and carbazole random copolymer onto carbon fiber
14、 :Characterization by FTIR2 ATR , SEM , EDX J . Surfaceand Coatings Technology , 2002 , 160 (2/ 3) : 227-238.致 谢 值此论文完成之际，谨向指导老师王晓东老 师表示我衷心的感谢,也要感谢黄培、谷和平两位 老师的指导！三位老师渊博的学识，严谨的治学 态度，敏锐地学术眼光，积极进取的工作精神令 我敬仰。 在论文研究期间还得到了穆丽珀师姐的鼎力 相助，另外杨长成、王杰等师兄师姐对我的论文 也提供了许多帮助，在此谨向他们表示我由衷的 谢意和良好的祝愿。祝福他们在以后的学习和工 作中不断取得进步！ 还要感谢我的家人，正是他们这些年来对我 生活上无微不至的关怀和精神上的鼎立支持，才 使得我在人生道路上不断取得进步。 最后，向给予作者关心和爱护而未能在此一 一提及的亲人、老师、同学和朋友致以衷心的谢 意。我会用以后在人生路上的步步前进来作为回 报。谢谢
