Ti3C2 MXene改性环氧树脂复合材料摩擦学性能研究

摘要

环氧树脂具有良好的机械性能、优异的粘接性能以及容易固化成型等特点，是一种重要的工程聚合物材料，被作为砂轮粘合剂、工程塑料、电子电器材料等广泛应用于航天航空、机械加工、军工装备等领域。随着工业发展和制造水平的提高，仪器设备的工作条件更加苛刻，对机械器件的性能要求日益提高，因为热性能及摩擦性能较差等缺点，传统的环氧树脂及其复合材料无法满足高性能装备、高性能零件及高性能加工要求。本文利用新型二维材料Ti3C2MXene改性环氧树脂，改善其硬度、摩擦学性能和热性能。研究了性能提高机理，为环氧树脂的应用和加工提供实验基础和理论借鉴。 首先，利用氢氟酸溶液刻蚀方法，探究了Ti3C2MXene的制备和剥离工艺，并对其性能进行了表征，结果表明其具有润滑效果和良好的热性能。 其次，采用溶液共混法，制备了Ti3C2/Epoxy复合材料，其硬度、导热性能、热稳定等性能得到增强，填料含量为1wt%时，相比环氧树脂，热导率、玻璃化转变温度和硬度分别提高了141.3%、13.6%和29.4%，40℃条件下热膨胀系数降低12.1%；干摩擦条件下，载荷为5N，频率为2Hz时，相比环氧树脂，含0.5wt%填料的复合材料摩擦系数降低了69.8%，含0.25wt%填料的复合材料的磨损率降低了66.4%；当载荷增至15N，大载荷破坏了填料与基体的结合状态，含0.5wt%填料复合材料的摩擦系数不稳定，磨损体积超过了环氧树脂；当频率为4Hz时，各个材料的摩擦系数和磨损率有显著的下降。在水润滑条件下，载荷为5N，频率为2Hz时，相比干摩擦，环氧树脂和含0.5wt%填料复合材料的摩擦系数都有所下降，由于水的流动性大，磨损率有所上升。 最后，利用冷冻干燥法，构建了少层Ti3C2MXene纳米片三维网络结构，制备了Epoxy-Ti3C23DNS复合材料。较环氧树脂，含3.0gTi3C2MXene的Epoxy-Ti3C23DNS3.0复合材料的热导率和硬度分别提高了48.9%和74.9%，40℃条件下热膨胀系数降低了9.5%；干摩擦条件下，载荷为5N且频率为2Hz时，相比环氧树脂，含1.0gTi3C2MXene的Epoxy-Ti3C23DNS1.0复合材料的摩擦系数(0.170)降低了76.3%。Epoxy-Ti3C23DNS3.0复合材料的磨损率(9.942×10-5mm3/mN)降低了67.3%；当载荷增加，Epoxy-Ti3C23DNS1.0复合材料的摩擦系数不同程度减小，磨损体积增大；当频率增加，Epoxy-Ti3C23DNS1.0复合材料的摩擦系数和磨损体积逐渐增加，磨损率逐渐下降。在水润滑条件下，载荷为5N，频率为2Hz时，相比干摩擦条件，Epoxy-Ti3C23DNS1.0复合材料的摩擦系数有轻微增大，磨损率有所增加。

目录

声明

1 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 二维材料及其研究现状

1.3 环氧树脂及其复合材料摩擦学性能研究现状

1.4 本文主要研究内容

1.5 本文所用材料

2 填料Ti3C2 MXene的制备、剥离和性能表征

2.1 仪器设备

2.2 填料Ti3C2 MXene的制备

2.2.1 刻蚀温度的选择

2. 2.2 氢氟酸溶液浓度的选择

2.2.3 刻蚀时间的选择

2.3 Ti3C2 MXene的表面官能团和热稳定分析

2.4.1 超声法制备少层Ti3C2 MXene纳米片及其表征

2.4.2 高压法制备少层Ti3C2 MXene纳米片及其表征

2.5 测量少层Ti3C2 MXene纳米片导热和摩擦性能

2.5.1 Ti3C2/CNF复合薄膜制备过程

2.5.2 薄膜性能测试方法

2.5.3 薄膜性能表征与讨论

2.6 本章小结

3 溶液共混法制备Ti3C2/Epoxy复合材料及其热性能和摩擦学性能研究

3.1 仪器设备

3.2 Ti3C2/Epoxy复合材料的制备

3.3 Ti3C2/Epoxy复合材料热性能研究

3.3.1 Ti3C2/Epoxy复合材料的断面表征

3.3.2 Ti3C2/Epoxy复合材料的热性能

3.4 Ti3C2/Epoxy复合材料的摩擦学性能

3.4.1 影响因素

3.4.2 磨损机理

3.4.3 试验方案

3.4.4 Ti3C2 MXene含量对复合材料摩擦磨损性能的影响

3.4.5 载荷对复合材料摩擦磨损性能的影响

3.4.6 摩擦速度对复合材料摩擦磨损性能的影响

3.4.7 水润滑对复合材料摩擦磨损性能的影响

3.5 本章小结

4 三维网络结构Epoxy-Ti3C2 3DNS复合材料摩擦学性能研究

4.1 仪器设备

4.2 三维网络结构Epoxy-Ti3C2 3DNS复合材料的制备

4.3 三维网络结构Epoxy-Ti3C2 3DNS复合材料热性能研究

4.3.1 三维网络结构块体及Epoxy-Ti3C2 3DNS复合材料断面表征

4.3.2 Epoxy-Ti3C2 3DNS复合材料热性能

4.4 Epoxy-Ti3C2 3DNS复合材料摩擦学性能

4.4.1 试验方案

4.4.2 Ti3C2 MXene含量对复合材料摩擦磨损性能的影响

4.4.3 载荷对复合材料摩擦磨损性能的影响

4.4.4 摩擦速度对复合材料摩擦磨损性能的影响

4.4.5 水润滑对复合材料摩擦磨损性能的影响

4.5 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢

大连理工大学学位论文版权使用授权书