火焰喷涂碳纳米管增强聚醚醚酮复合材料涂层研究

摘要

聚合物涂层越来越多的应用于金属基体上，以保护表面免受腐蚀和过度磨损。聚醚醚酮(PEEK)因其优异的热稳定性，化学稳定性和耐磨性已成为最具吸引力的聚合物材料之一。由于碳纳米管(CNTs)独特的机械性能，结合高纵横比和纳米级尺寸使其成为复合材料增强的理想选择。本文采用火焰喷涂技术在17-4PH不锈钢基体上经不同基体预热温度和喷枪移动速度制备PEEK涂层，并在最优工艺参数下制备具有不同分散条件和成分的PEEK/CNTs复合涂层。 利用扫描电子显微镜(SEM)、傅里叶转换红外光谱分析(FTIR)、X射线衍射(XRD)、差示扫描量热分析(DSC)等分析表征方法，对火焰喷涂PEEK涂层的工艺参数进行优化，研究了火焰喷涂过程中温度对涂层结构和性能的影响。重点讨论了CNTs分散性对复合涂层组织结构、结晶行为、化学结构、结合强度、显微硬度和摩擦磨损性能的影响。 工艺参数优化结果表明，PEEK在喷涂过程中高分子链发生断裂，并生成饱和烷烃和芳香醛官能团。PEEK涂层表面粗糙度无明显变化。基体预热温度为200℃，喷枪移动速度为300mm/s时涂层孔隙率达到最小值0.775%，结合强度达到最高等级，显微硬度达到最高值27.58HV0.5。此条件下PEEK涂层的摩擦系数为0.446，比磨损率为12.3×10-6mm3/Nm。 CNTs增强PEEK复合涂层结果表明，经SEM分析显示，经在无水乙醇溶液中超声后，CNTs分散性得到提高，导致复合涂层内部孔隙率和表面粗糙度明显降低；FTIR分析表明，由于CNTs导热系数高及其表面较多缺陷导致复合涂层中两种新生成官能团相对含量发生改变；DSC与XRD分析表明，CNTs分散性较差时会减少PEEK的晶核密度导致PEEK晶粒尺寸增加，当其分散性提高时，产生抑制高分子链运动和作为形核剂两方面作用导致PEEK晶粒减小；CNTs分散性对复合涂层结合强度无影响，均为最高等级；提高CNTs与PEEK之间界面结合性可使载荷传递更为有效，导致复合涂层的硬度最大增加至30.49HV0.5。进而减小磨痕表面出现的塑变、裂纹和表面脱落，提高复合涂层耐磨性，与纯PEEK涂层相比摩擦系数最大减少15.35%，比磨损率最大降低76%。

目录

声明

1 绪论

1.1 热喷涂聚合物涂层研究

1.1.1 热喷涂聚合物涂层的应用背景

1.1.2 热喷涂聚合物涂层研究现状

1.2 热喷涂聚醚酮层研究

1.2.1 聚醚醚酮涂层

1.2.2 聚醚醚酮复合材料涂层

1.3 碳纳米管增强聚醚醚酮复合材料研究

1.4 研究目的与内容

1.4.1 研究目的

1.4.2 研究内容

2 实验设备与分析方法

2.1 实验材料与设备

2.2 实验方法

2.2.1 复合粉末的制备

2.2.2 粉末火焰喷涂

2.2.3 涂层检测方法

3 火焰喷涂工艺参数对聚醚醚酮涂层结构与性能影响

3.1 涂层微观形貌

3.2 涂层化学结构及结晶状态

3.2.1 涂层化学结构

3.2.2 涂层结晶状态

3.3 涂层力学性质

3.3.1 涂层结合强度

3.3.2 涂层显微硬度

3.4 涂层摩擦磨损性能

3.5 本章小结

4 火焰喷涂碳纳米管增强聚醚醚酮复合材料涂层组织与特性研究

4.1 混粉方式对碳纳米管分散状态的影响

4.2 复合涂层微观结构

4.3 复合涂层化学结构及结晶状态

4.3.1 复合涂层化学结构

4.3.2 复合涂层结晶状态

4.4 复合涂层力学性质

4.4.1复合涂层结合强度

4.4.2复合涂层显微硬度

4.5 复合涂层摩擦磨损性能

4.6 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

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