聚酰亚胺/二硫化钼润滑涂层的制备与性能研究

摘要

聚酰亚胺(Polyimide，PI)润滑涂层已经开始使用于活塞裙部，能够起到润滑、保护以及减少摩擦损失的作用。作为固体润滑剂，二硫化钼(MoS2)的减摩性能良好，可以减小零件的损耗;二氧化钛(TiO2)纳米颗粒的理化性质优异，热稳定性能良好，在腐蚀性环境中基本不受影响。本文将上述两种固体润滑剂作为添加物加入聚酰亚胺复合材料，研究其单独和混合加入对于润滑涂层的影响，以期得到优于现有润滑涂层的涂层材料。
　　在高速球磨机中，将聚酰胺酸液体和二硫化钼/二氧化钛等混合搅拌15 min，随后加入0.4 wt％的消泡剂和0.4 wt％的流平剂等助剂，使用磁力搅拌器搅拌混合10 min。所得的液体涂料涂覆到铝合金试样表面，放入真空干燥箱中。在210℃、保温30 min条件下，聚酰胺酸(PAA)发生固化，脱水成环生产聚酰亚胺，得到聚酰亚胺/二硫化钼和聚酰亚胺/二硫化钼/二氧化钛涂层。
　　为测试涂层性能，判断复合材料性能的优劣，使用多功能摩擦磨损试验机（UMT-3），测试涂层的摩擦行为。为了分析造成性能差异的原因，运用多种测试手段，得到涂层的表面形貌、与金属基体的结合力以及二硫化钼的晶体结构，进行综合分析讨论，得出性能优劣原因，掌握摩擦方式和机理，为后续研究奠定基础。
　　不同MoS2含量（10 wt％、16.7 wt％、20 wt％、30 wt％）的4组聚酰亚胺/二硫化钼涂层试样中，质量分数为10 wt％的试样，涂层与金属基体的结合力最好，表现为脱落区域的面积最小，随着MoS2含量的增加，涂层脱落区域的面积也随之增加。X射线衍射仪(XRD)的分析结果表明，涂层中MoS2晶体(004)和(103)晶面的衍射峰发生偏移，晶面间距在C轴方向增大。
　　室温、定载荷1N、摩擦速度10 mm/s的摩擦条件下，随着MoS2含量的增加，聚酰亚胺/二硫化钼涂层的摩擦系数表现出先降低后增大的趋势;当MoS2含量为16.7 wt％时，摩擦系数最小，为0.21（平均值）。
　　涂层中加入TiO2可以提高其耐磨性。当TiO2含量为1.5 wt％时，聚酰亚胺/二硫化钼/二氧化钛涂层摩擦45 min后发生磨损，耐磨性优于其他TiO2含量的聚酰亚胺/二硫化钼/二氧化钛涂层。不同二硫化钼含量的聚酰亚胺/二硫化钼涂层的磨损开裂时间最长为20 min。当TiO2含量为1.0 wt％时，聚酰亚胺/二硫化钼/二氧化钛涂层的摩擦系数最小，为0.22（平均值）。
　　分析了MoS2和TiO2改善涂层摩擦磨损性能的机理。在聚酰亚胺基固体润滑涂层的摩擦过程中，PI利用自身的低剪切强度和填料（MoS2/TiO2）的自润滑性能来降低摩擦系数涂层。摩擦过程中，在循环切应力的影响下，涂层表面形成裂纹并扩展，使得涂层因疲劳磨损而剥落，失去保护效果。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景

1．1．1 活塞裙部的摩擦磨损

1．1．2 降低活塞裙部磨损的方法

1．2 有机粘结固体润滑涂层

1．2．1 组成

1．2．2 固体润滑剂的减摩方式

1．3 摩擦磨损的基本原理与特性

1．4 聚酰亚胺基固体润滑涂层的研究进展

1．4．1 固体润滑剂

1．4．2 聚酰亚胺基固体润滑涂层的制备工艺

1．5 本论文的研究目的及研究内容

第2章 实验设备与方法

2．1 实验仪器设备

2．1．2 X射线衍射仪

2．1．2 扫描电子显微镜

2．1．3 拉曼光谱仪

2．1．4 多功能摩擦磨损试验机

2．2 实验原料

2．2．1 聚酰亚胺

2．2．2 二硫化钼

2．2．3 二氧化钛

2．2．4 助剂

2．2．5 铝合金基体

2．3 涂层制备方法

2．4 涂层性能测试

第3章 聚酰亚胺／二硫化钼涂层的制备和性能研究

3．1 引言

3．2 聚酰亚胺／二硫化钼耐磨涂层制备

3．3 聚酰亚胺／二硫化钼涂层的性能

3．3．1 聚酰亚胺／二硫化钼涂料的粘度

3．3．2 聚酰亚胺／二硫化钼涂层的粘结强度

3．3．3 聚酰亚胺／二硫化钼涂层中二硫化钼的结构

3．3．4 聚酰亚胺／二硫化钼涂层摩擦前后的拉曼图谱

3．3．5 聚酰亚胺／二硫化钼涂层的摩擦性能

3．4 聚酰亚胺／二硫化钼涂层的摩擦磨损机理

3．4．1 聚酰亚胺／二硫化钼涂层摩擦后的表面形貌

3．4．2 聚酰亚胺／二硫化钼涂层的摩擦机理

3．5 本章小结

第4章 聚酰亚胺／二硫化钼／二氧化钛涂层的制备与性能

4．1 引言

4．2 聚酰亚胺／二硫化钼／二氧化钛涂层的制备

4．3 聚酰亚胺／二硫化钼／二氧化钛涂层的性能

4．3．1 TiO2粒径对涂层耐磨性能的影响

4．3．2 TiO2粒径对涂层润滑性能的影响

4．3．3 涂层中二硫化钼／二氧化钛的结构

4．3．4 聚酰亚胺／二硫化钼／二氧化钛涂层的表面形貌

4．3．5 聚酰亚胺／二硫化钼涂层／二氧化钛涂层的摩擦性能

4．4 聚酰亚胺／二硫化钼／二氧化钛涂层的摩擦机理

4．4．1 二氧化钛粒径对涂层摩擦性能的影响

4．4．2 二氧化钛含量对涂层摩擦性能的影响

4．5 本章小结

第五章 总结和展望

5．1 总结

5．2 展望

参考文献

致谢