改性材料對(duì)聚酰亞胺基保持架復(fù)合材料性能的影響

李媛媛，楚婷婷，張艷,孫小波,王大強(qiáng)

(1.洛陽軸承研究所有限公司，河南 洛陽 471039;2.河南省高性能軸承技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 洛陽 471039；3.滾動(dòng) 軸承產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟，河南 洛陽 471039;4.中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，山東 青島 266111)

聚酰亞胺(PI)具有優(yōu)異的力學(xué)性能,耐熱、耐輻射性能，摩擦磨損性能，多用作固體自潤(rùn)滑材料[1-2]，在航空航天用軸承等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[3-5]，許多研究表明，無機(jī)/有機(jī)填料都能不同程度改善PI復(fù)合材料的性能[6-8]。

結(jié)合主機(jī)單位的要求，根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際情況，研究了碳纖維和玻璃纖維對(duì)PI基固體自潤(rùn)滑復(fù)合材料力學(xué)性能和摩擦學(xué)性能的影響，為研究開發(fā)更高性能的PI基固體自潤(rùn)滑復(fù)合材料提供參考。

1 試驗(yàn)

1.1 試樣制備

將加入不同增強(qiáng)材料和潤(rùn)滑材料的PI原料在高速攪拌器內(nèi)充分混勻，將混好的原料裝入模具中，在一定壓力和溫度下壓制燒結(jié)成形，制備出PI基固體自潤(rùn)滑復(fù)合材料。按照Q/ZYS J063—2013《模壓聚酰亞胺保持架材料》加工出φ12 mm×φ9 mm×5 mm的拉伸強(qiáng)度和摩擦磨損試樣。

1.2 試驗(yàn)方法

1)拉伸強(qiáng)度試驗(yàn)：在室溫環(huán)境下，采用DNS-200型電子萬能試驗(yàn)機(jī)檢測(cè)試樣的拉伸強(qiáng)度，拉伸速度為5 mm/min。

2)摩擦磨損試驗(yàn)：采用CFT-1型材料表面性能綜合測(cè)試儀檢測(cè)試樣摩擦因數(shù)和磨損量，往復(fù)干摩擦，載荷20 N，頻率10 Hz，時(shí)間1 h，往復(fù)半徑5 mm，φ4 mm對(duì)摩鋼球[6]。

2 結(jié)果與討論

2.1 二元復(fù)合材料的性能

添加不同含量的增強(qiáng)改性材料，即玻璃纖維(玻纖，長(zhǎng)度小于1 mm)和碳纖維(碳纖，長(zhǎng)度小于1 mm)后二元復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度、摩擦因數(shù)和磨損量如圖1所示。由圖可知：1)添加一定量的碳纖和玻纖能增大聚酰亞胺復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度；隨著玻纖的增加，拉伸強(qiáng)度呈減小趨勢(shì)，而當(dāng)碳纖添加量為10%時(shí)，拉伸強(qiáng)度達(dá)到最高146.8 MPa，繼續(xù)增加則拉伸強(qiáng)度迅速減小，當(dāng)添加量為30%時(shí)，拉伸強(qiáng)度已降為52.75 MPa;2)添加玻纖的二元復(fù)合材料摩擦因數(shù)均較大,碳纖添加量為10%時(shí)摩擦因數(shù)較小;3)二元復(fù)合材料的磨損量隨著增強(qiáng)改性材料添加量的增大先增大后減小。

圖1 PI基固體自潤(rùn)滑二元復(fù)合材料性能

上述現(xiàn)象的原因在于，玻纖不是高聚物，與PI界面的相容性差，添加會(huì)導(dǎo)致材料拉伸強(qiáng)度下降。而在PI/碳纖復(fù)合材料中，碳纖添加較少時(shí)，通過傳遞應(yīng)力可以增強(qiáng)PI分子鏈間的纏結(jié)，從而提高復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度；但當(dāng)碳纖含量較多時(shí)，會(huì)在材料內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力集中。此外，為了與PI混合均勻，選用了粉末狀短切碳纖，但短切碳纖的端頭較多，增加了材料內(nèi)部缺陷，并且短切碳纖在混料中不像連續(xù)碳纖平鋪工藝那樣在水平方向上高度取向，因此隨著碳纖添加量的繼續(xù)增大，拉伸強(qiáng)度明顯減小。

二元復(fù)合材料的摩擦因數(shù)均較大，磨損量隨著增強(qiáng)改性材料添加量的增大先增大后減小。原因在于PI/玻纖復(fù)合材料的磨損機(jī)理是磨粒磨損，摩擦過程中對(duì)磨面上的玻纖作為硬質(zhì)顆粒會(huì)導(dǎo)致磨損量增大，但隨著玻纖含量繼續(xù)增大，在復(fù)合材料受到外界應(yīng)力作用時(shí)，玻纖可承載，使磨損量減小。而PI/碳纖復(fù)合材料隨著碳纖的增加，磨損量也呈先增大后減小的趨勢(shì)，原因?yàn)镻I/碳纖復(fù)合材料表現(xiàn)為黏著磨損，碳纖不斷刮削轉(zhuǎn)移膜，使摩擦因數(shù)偏大，磨損嚴(yán)重，但碳纖在摩擦表面碎斷后經(jīng)反復(fù)輾磨形成石墨微晶，這種石墨微晶有利于形成轉(zhuǎn)移膜，碳纖的添加量增大時(shí)，所形成石墨微晶量也增大，因此摩擦磨損性能提高。

由于添加增強(qiáng)改性材料后復(fù)合材料的摩擦因數(shù)(碳纖5%，10%除外)均有所增大,根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果，結(jié)合長(zhǎng)期應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，選取15%，25%，30%的玻纖和碳纖分別與PI混合(這3個(gè)添加量復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度雖然減小，但仍滿足應(yīng)用要求)進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)，以考察添加潤(rùn)滑改性材料后三元復(fù)合材料的綜合性能。

2.2 三元復(fù)合材料的性能

根據(jù)前期的研究結(jié)果，分別選取3%，6%，9%的聚四氟乙烯(PTFE，密度為2.17×103kg/m3)和二硫化鎢(WS2，濃度大于99%)為潤(rùn)滑改性材料，與上述不同配比的混合料進(jìn)行混合后壓制成形，測(cè)試三元復(fù)合材料的性能。PI/玻纖/PTFE和PI/玻纖/WS2的性能見表1和表2。由表可以看出，添加2種潤(rùn)滑材料對(duì)復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度影響的總體趨勢(shì)大致相同，隨著潤(rùn)滑材料的增加，拉伸強(qiáng)度均降低,添加WS2降低趨勢(shì)更明顯?？赡芤?yàn)镻TFE是高聚物，與復(fù)合材料的相容性更好，因此添加相同比例時(shí)拉伸強(qiáng)度更高。當(dāng)添加PTFE或WS2后，15%玻纖/PI三元復(fù)合材料的磨損量均減小，可能因?yàn)椴＠w被PTFE包裹后，對(duì)磨時(shí)形成轉(zhuǎn)移膜且玻纖承載，使磨損量減小，WS2作為潤(rùn)滑材料，也使復(fù)合材料耐磨性增加。但是當(dāng)玻纖含量高時(shí)，磨損量相比二元復(fù)合材料均略有增大。

表1 不同含量的PI/玻纖/PTFE復(fù)合材料性能

表2 不同含量的PI/玻纖/ WS2復(fù)合材料性能

PI/碳纖/PTFE和PI/碳纖/WS2的性能見表3和表4。

表3 不同含量的PI/碳纖/PTFE復(fù)合材料性能

表4 不同含量的PI/碳纖/ WS2復(fù)合材料性能

由表3可以看出，隨著PTFE的增加，拉伸強(qiáng)度先增大后減小，摩擦因數(shù)和磨損量均逐漸增大。與圖1對(duì)比可以看出，PTFE添加量較小時(shí)，摩擦因數(shù)均小于未添加的二元復(fù)合材料，說明此時(shí)與PI/碳纖發(fā)生了協(xié)同作用，增大了材料的拉伸強(qiáng)度，改善了材料的摩擦磨損性能。

由表4可以看出，與二元材料(圖1)相比，當(dāng)碳纖質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%和30%時(shí)，添加WS2反而使材料的拉伸強(qiáng)度降低；當(dāng)碳纖質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%時(shí)，WS2添加量較小時(shí)對(duì)拉伸強(qiáng)度有略微的增強(qiáng)作用。25%碳纖+9%WS2的復(fù)合材料減摩耐磨性能最佳，這是因?yàn)閃S2的添加減輕了碳纖刮擦轉(zhuǎn)移膜的程度，減少了基體的熔融，改善了磨損性能。

3 結(jié)論

1)添加一定量的碳纖和玻纖能增大聚酰亞胺復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度，繼續(xù)添加則使拉伸強(qiáng)度下降，碳纖相比玻纖下降趨勢(shì)更為明顯。

2)玻纖或碳纖二元復(fù)合材料的摩擦因數(shù)均較大，磨損量隨著增強(qiáng)改性材料添加量的增大先增大后減小。

3)PI/玻纖/潤(rùn)滑改性材料的三元復(fù)合材料隨著潤(rùn)滑材料的添加，拉伸強(qiáng)度下降，但添加WS2下降趨勢(shì)更為明顯；PI/碳纖/潤(rùn)滑改性材料的三元復(fù)合材料由于協(xié)同作用，拉伸強(qiáng)度變化趨勢(shì)不明顯。

4)三元復(fù)合材料的摩擦因數(shù)均較大，磨損量則由于增強(qiáng)改性材料和潤(rùn)滑改性材料協(xié)同作用，趨勢(shì)不明顯。