纤维混杂改性聚甲醛/泡沫铝互穿复合材料的研究

摘要

随着科技的迅猛发展，工程机械对材料性能的要求进一步提高。节能环保、物美价廉、高性能和轻量化材料炙手可热。为此，国内外学者都在对天然植物纤维进行着各种研究，它们不仅来源丰富，质量轻且可降解，最重要的是性价比高、绿色环保。合理的将这些植物纤维用到复合材料中不仅提升了资源利用率，变废为宝，而且符合国家可持续发展战略。
　　本文采用熔融挤出和注射成型的方法，以泡沫铝(AF)为基体，漆籽壳纤维(LSSF)和玄武岩纤维(BF)增强聚甲醛(POM)复合材料为填充相制备了AF/POM/BF/LSSF互穿复合材料。深入研究了LSSF含量对复合材料熔体流动性、力学及摩擦学性能的影响;通过红外光谱(FTIR)，光电子能谱(EDS)和扫描电镜(SEM)分别表征了纤维及复合材料的结构、界面结合及摩擦磨损等情况;在简单滑块滑动模型下，分别对尼龙和AF/POM/BF/LSSF互穿复合材料的应力、应变以及摩擦生热进行了ANSYS有限元分析。
　　得到的主要结论及成果如下:
　　1)采用挤出-注射成型法制备了添加不同含量LSSF的POM/BF/LSSF复合材料，研究了不同含量的LSSF对复合材料流动、导热、力学以及摩擦学性能的影响。结果表明，复合材料各方面性能受LSSF含量变化影响。添加LSSF后，复合材料的摩擦学性能显著上升，但其力学性能下降明显;随着LSSF含量的升高，复合材料的冲击性能、导热性、熔体流动性能和摩擦性能得到明显改善，但其拉伸和弯曲性能均呈现下降趋势;当摩擦副分别为GCr15，不锈钢和45钢时，随着摩擦副硬度上升，复合材料的摩擦系数和磨损量呈现下降趋势。
　　2)当LSSF含量为10wt％时，复合材料的摩擦系数和磨损量降低明显，且其综合性能较好。因此，将此配方的复合材料和未添加LSSF的复合材料分别填充入AF中制备成互穿复合材料，并分别对两种互穿复合材料的冲击、弯曲、导热和摩擦性能进行了研究。结果表明:与纯AF相比，互穿复合材料的弯曲、冲击、导热和摩擦性能均得到了显著的改善。互穿复合材料的摩擦学性能也与对偶件的材质有密切的关系，即随着摩擦副硬度上升，复合材料的摩擦系数和磨损量呈下降趋势。LSSF/BF/POM复合材料的流动性能优于BF/POM复合材料，与AF之间界面结合更紧密，过度界面平稳。
　　3)通过简化滑动模型，对滑动过程中滑块的应力场和温度场进行理论计算，结果表明:温度增量与所加载荷和滑动速度成正比。同时以45钢为滑动平面的滑块滑动模型进行了仿真计算，仿真结果为AF/POM/BF/LSSF复合材料的应力、应变及稳态最高温度均明显低于尼龙材料，具有替代尼龙滑块材料的潜力。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 滑块的研究进展

1．1．1 金属滑块

1．1．2 塑料滑块

1．2 泡沫铝互穿复合材料

1．2．1 互穿材料的制备方法

1．2．2 AF填充改性的研究进展

1．3 聚甲醛

1．3．1 POM的改性

1．3．2 天然纤维填充改性

1．4 本论文的研究目的及意义

1．4．1 研究目的

1．4．2 研究意义

第二章 实验部分

2．1 实验原料

2．2 实验设备及仪器

2．3 原材料的预处理

2．3．1 LSSF的预处理

2．3．2 玄武岩纤维的预处理

2．3．3 AF的预处理

2．4 试样的制备

2．5 材料的表征与测试

2．5．3 熔体流动速率(MFR)测定

2．5．4 力学性能测试

2．5．5 摩擦磨损性能测试

2．5．6 导热性能测试

第三章 LSSF含量对BF／POM复合材料性能的影响

3．1 LSSF表面处理的傅利叶红外光谱分析

3．2 LSSF含量对复合材料性能的影响

3．2．1 LSSF含量对复合材料拉伸性能的影响

3．2．2 LSSF含量对复合材料弯曲性能的影响

3．2．3 LSSF含量对复合材料冲击性能的影响

3．2．4 LsSF含量对复合材料熔体流动速率的影响

3．2．5 LSSF的含量对复合材料导热系数的影响

3．3 在不同摩擦副下LSSF含量对复合材料摩擦学性能的影响

3．4 复合材料的微观形貌分析

3．4．1 冲击断面形貌分析

3．4．2 磨损形貌分析

3．5 本章小结

第四章 改性互穿复合材料的性能研究

4．1 三维互穿复合材料的力学性能分析

4．1．1 互穿复合材料的冲击性能

4．1．2 互穿复合材料的弯曲性能

4．1．3 互穿复合材料的导热性能

4．2 三维互穿材料的摩擦学性能分析

4．3 互穿复合材料的微观形貌分析

4．3．1 界面结合形貌分析

4．3．2 磨损表面形貌分析

4．3．3 EDS分析

4．4 本章小结

第五章 滑块的应用仿真分析

5．1 滑块滑动模型的有限元计算

5．1．1 应力场的计算

5．1．2 温度场的计算

5．2 基于ANASYS仿真的滑块摩擦生热分析

5．2．1 计算模型

5．2．2 复合材料的性能参数

5．2．3 复合材料的应力分析

5．2．4 复合材料的应变分析

5．2．5 复合材料的摩擦生热分布图

5．3 本章小结

结论

展望

参考文献

致谢

附录