填充改性聚四氟乙烯的摩擦磨损性能研究

摘要

聚四氟乙烯(PTFE)由于独特的结构，使其具有优良的化学稳定性、极低的摩擦系数、耐高温性和热稳定性，被广泛应用于化工行业。但PTFE的耐磨性差，因此需对PTFE进行改性研究。本文以PTFE为基体材料，以莫来石、碳纤维和硅灰石为填料，采用预压烧结的成型工艺制备了多种复合材料，并对复合材料的微观结构、力学性能、热学性能和摩擦磨损性质进行了研究。主要进行了以下几个方面的研究工作。
　　一、莫来石填充的聚四氟乙烯复合材料的摩擦磨损性能
　　本文制备了莫来石填充的PTFE复合材料，并FT-IR、XRD、万能材料试验机、洛氏硬度计、DSC及TMA分别表征了复合材料的微观结构、力学性能和热学性质;研究使用MRH-3型高速环块磨损试验机来测试复合材料的耐摩擦磨损性能，借助场发射扫描电子显微镜来研究复合材料摩擦面形貌并分析摩擦磨损机理。结果表明:莫来石在PTFE体系中起填充增强作用，改性PTFE复合材料的弹性模量显著增加;莫来石的填充提高了PTFE的玻璃化转变温度，其平均线膨胀系数也呈下降趋势;当莫来石的比质量分数由0％增加至50％的过程中，复合材料的摩擦系数呈现先降低、后升高的趋势;复合材料的耐磨损性能显著改善，当莫来石的比质量分数为40％时，其磨损率降低至纯PTFE的1/530。
　　二、莫来石与碳纤维协同改性聚四氟乙烯的摩擦磨损性能
　　本文制备了莫来石和碳纤维填充的PTFE复合材料，并表征了复合材料的微观结构、力学性质和热学性质;且使用MRH-3型高速环块磨损试验机测定复合材料的摩擦磨损性能，以及自制硅油砂浆磨损装置来测定其在不同温度下的砂浆磨损性能;借助3D测量激光显微镜来研究复合材料摩擦面形貌并分析摩擦磨损机理。结果表明:莫来石和碳纤维在PTFE体系中起填充增强作用，改性PTFE复合材料的弹性模量显著增加;莫来石-碳纤维/PTFE复合材料的干摩擦系数较大，但其磨损率与纯的PTFE相比降低了三个数量级以上，且此复合材料在湿摩擦条件下，仍保持较好的摩擦磨损性能;莫来石-碳纤维/PTFE复合材料在较高温度下表现出良好的耐砂浆磨损性能。
　　三、硅灰石与碳纤维协同改性聚四氟乙烯的摩擦磨损性能
　　本文制备了硅灰石和碳纤维填充的PTFE复合材料，并表征了复合材料的微观结构、力学性质和热学性质;且使用MRH-3型高速环块磨损试验机来测试复合材料的摩擦磨损性能，借助3D测量激光显微镜来研究复合材料摩擦面形貌并分析摩擦磨损机理。结果表明:硅灰石和碳纤维在PTFE体系中起填充增强作用，改性PTFE复合材料的弹性模量显著增加;硅灰石-碳纤维/PTFE复合材料的磨损率在干摩擦条件下和湿摩擦条件下均保持在较低值，且其在两种条件下的摩擦系数均为最低值。
　　本论文研究了莫来石/PTFE复合材料、莫来石-碳纤维/PTFE复合材料和硅灰石-碳纤维/PTFE复合材料的微观结构、力学性质、热学性质和摩擦磨损性能，结果表明:三种复合材料的干磨损性能均较好，但莫来石/PTFE复合材料的湿磨损性能较差，而莫来石-碳纤维/PTFE复合材料和硅灰石-碳纤维/PTFE复合材料在湿摩擦条件下仍有较好的摩擦磨损性能，对PTFE复合材料能否在更大井深、更高地层温度的油井中使用进行了探索。

目录

摘要

第一章 前言

1．1 研究背景

1．2 聚四氟乙烯概述

1．2．1 PTFE的结构与性能

1．2．2 PTFE的应用

1．3 改性聚四氟乙烯的摩擦学研究

1．3．1 PTFE的表面改性

1．3．2 PTFE的共混改性

1．3．3 PTFE的填充改性

1．4 填充改性聚四氟乙烯的摩擦学性能研究

1．4．1 无机填料改性PTFE的摩擦学性能研究

1．4．2 有机填料改性PTFE的摩擦学研究

1．5 本文的主要工作

第二章 试验方法

2．1 仪器与试剂

2．1．1 实验仪器

2．1．2 实验试剂

2．2 复合材料的制备

2．2．1 莫来石填充PTFE复合材料的制备

2．2．2 莫来石与碳纤维协同填充PTFE复合材料的制备

2．2．3 针状硅灰石与碳纤维协同填充PTFE复合材料的制备

2．3 复合材料的表征与性能测试

2．3．1 傅里叶红外光谱测试

2．3．2 X射线衍射分析

2．3．3 拉伸性能测试

2．3．4 洛氏硬度测试

2．3．5 差示扫描量热分析

2．3．6 静态热机械分析

2．3．7 环块摩擦性能测试

2．3．8 砂浆磨损性能测试

2．3．9 场发射扫描电子显微镜测试

2．3．10 3D测量激光显微镜测试

第三章 莫来石填充的聚四氟乙烯复合材料的摩擦磨损性能

3．1 引言

3．2 结果与讨论

3．2．1 填料对复合材料微观结构的影响

3．2．2 填料对复合材料力学性能的影响

3．2．3 填料对复合材料热学性能的影响

3．2．4 填料对复合材料摩擦磨损性能的影响

3．3 本章小结

第四章 莫来石与碳纤维协同改性聚四氟乙烯的摩擦磨损性能

4．1 引言

4．2 结果与讨论

4．2．1 填料对复合材料微观结构的影响

4．2．2 填料对复合材料力学性能的影响

4．2．3 填料对复合材料热学性能的影响

4．2．4 填料对复合材料摩擦磨损性能的影响

4．3 本章小结

第五章 硅灰石与碳纤维协同改性聚四氟乙烯的摩擦磨损性能

5．1 引言

5．2 结果与讨论

5．2．1 填料对复合材料微观结构的影响

5．2．2 填料对复合材料力学性能的影响

5．2．3 填料对复合材料热学性能的影响

5．2．4 填料对复合材料摩擦磨损性能的影响

5．3 本章小结

结论与展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学术论文目录

声明