斯特林发动机新型密封材料摩擦磨损性能研究

摘要

斯特林发动机是一种依靠外部热源对密封在机器中的气体工质加热，使其不断热胀冷缩进行闭式循环，从而推动活塞做工的热气机。其中工质密封是斯特林发动机关键技术和最难解决的技术之一，气体工质的泄露将直接导致发动机功率和效率的降低，重则还会引发严重的安全问题。因此密封材料的耐磨性、自润滑性以及热稳定性与斯特林机的功率、效率和可靠性密切相关。研究密封材料的摩擦磨损特性对提升发动机的性能有至关重要的作用。
　　本文对比了不同材料之间的特性，并从中选取纳米碳化硅(Nano-SiC)和聚酰亚胺(PI)为填料，以不同体积比含量与聚四氟乙烯(PTFE)在混料机中混合，再经过冷压成型和烧结等工艺，制成聚四氟乙烯复合材料。利用MRH-3型环-块摩擦实验机研究不同实验条件下复合材料的摩擦磨损性能并记录磨损表面温度变化。通过扫描电镜观察试样磨损表面和转移膜形貌，分析其磨损机理。结果表明：聚酰亚胺的填充对聚四氟乙烯的改性效果明显。当聚酰亚胺含量为5%时，复合材料摩擦系数减小为0.182，耐磨性得到较大提升。添加纳米粒子能进一步提升复合材料的机械性能和摩擦磨损性能，且含量为5%时，对复合材料摩擦磨损性能的提升最显著。纳米粒子填料的含量、对磨时载荷和速度的变化均会引起磨损表面温度发生变化，影响复合材料摩擦磨损特性，复合材料磨损表面形貌和转移膜形貌也随之改变；随着纳米粒子含量增加，摩擦温升更快进入平稳阶段，有利于降低复合材料磨损率；载荷由100N增加至400N,速度由1m/s增加至4m/s时，复合材料摩擦磨损特性大幅下降，磨损表面形貌和转移膜形貌有显著变化，重载和高速条件下复合材料磨损率高；环境温度在室温到135℃变化时复合材料摩擦性能变化不明显。

目录

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附表索引

第1章 绪 论

1.1 课题研究背景

1.2 研究的目的与意义

1.3 研究现状

1.4 研究现状

1.5 课题来源和研究内容

1.6 本章小结

第2章 斯特林机密封件材料

2.1 聚四氟乙烯的结构性能和改性方法

2.2 聚四氟乙烯填充材料的选取

2.3 本章小结

第3章 实验样品制备和实验设计

3.1 斯特林发动机密封件所处工况条件

3.2 实验样品原料和仪器设备

3.3 实验样品的制备

3.4 复合材料摩擦磨损性能实验

3.5 力学性能实验

3.6 表面形貌分析

3.7 本章小结

第4章 聚酰亚胺改性聚四氟乙烯材料性能的研究

4.1 添加PI对P T F E基复合材料力学性能的影响

4.2 添加PI对PTFE基复合材料摩擦磨损性能的影响

4.3 本章小结

第5章 纳米Si C改性聚酰亚胺/聚四氟乙烯基复合材料性能的研究

5.1 添加纳米Si C对复合材料力学性能的影响

5.2 添加纳米Si C对复合材料摩擦磨损性能的影响

5.3 不同实验条件对5%Nano-SiC/5%PI/PTFE复合材料摩擦磨损性能的影响

5.4 转移膜形貌和磨损表面形貌分析

5.5 本章小结

结论和展望

1研究总结与结论

2不足与展望

参考文献

致谢

附录A 攻读硕士研究生期间发表的论文