纳米MnO2/碳布多尺度增强树脂基摩擦材料的制备及摩擦学性能研究

摘要

随着轨道交通事业的快速发展，湿式传动/制动系统对高性能碳布增强树脂基复合材料提出迫切需求，但由于碳布表面能低，与树脂界面结合性能差，成为该类复合材料性能提升的瓶颈所在。本文从界面设计角度出发，以提高复合材料的界面结合强度，进而改善其力学和摩擦学性能为目标，设计并制备了碳纤维/二氧化锰纳米片（CF-MnO2）多尺度增强体，在此基础上，分别将γ-氨丙基三乙氧基硅烷（APS）、三聚氰胺（MA）接枝于CF-MnO2上，成功制备了CF-MnO2-APS和CF-MnO2-MA层级增强体。通过对各增强体进行形貌结构、化学组成及润湿性能的分析表征，研究并探索各增强体对改善复合材料力学及摩擦学性能的作用机理。 采用一步水热法在碳纤维表面原位生长氧化锰纳米片，制备出CF-MnO2多尺度增强体，系统的研究水热生长温度对纤维表面MnO2纳米片形貌结构的影响。研究结果表明，当水热生长温度为125℃时，纤维表面MnO2纳米片孔径尺寸合适且分布均匀，有利于树脂基体的充分浸润。MnO2纳米片的存在不仅增大了纤维表面粗糙度，且可与树脂基体形成强的机械啮合，进而使得复合材料的弯曲和拉伸强度分别提高了16.3%和30.2%。同时显著改善复合材料的摩擦行为，与原始纤维增强复合材料相比，磨损率下降了38.7%。 采用化学接枝法，将APS接枝于CF-MnO2表面。APS水解后一端由硅烷基转化为硅羟基，通过水解缩合反应与碳纤维表面富含活性羟基的二氧化锰纳米片以化学键合的形式连接起来；另一端的氨基基团与树脂基体通过热固化反应形成界面强化学交联作用。从而实现了碳纤维与树脂基体之间机械啮合和化学交联作用的协同发挥，显著改善了复合材料的界面结合强度。研究结果表明，与原始纤维增强复合材料相比，利用CF-MnO2-APS层级增强体制备的复合材料，其抗弯和抗拉强度分别提高了46.9%和31.7%。此外，复合材料摩擦学性能得到显著改善，摩擦系数不但保持在一个较高且稳定的状态，且磨损率降低了17.3%。 采用化学接枝法，成功将多氨基三聚氰胺树枝状分子接枝于CF-Mn O2表面。不仅实现了碳纤维与树脂基体界面物理啮合和化学交联作用的协同增强，而且极性氨基分子的引入，实现了碳纤维表面能的显著提升，有效改善了碳纤维与树脂基体之间的浸润性，进而显著提高复合材料的界面结合性能。实验结果表明，利用该增强体制备的复合材料的弯曲和拉伸强度分别提高了24.1%和14.5%，磨损率降低了约29.6%。

目录

1 绪论

1.1课题研究背景及目的意义

1.2碳纤维表面改性研究进展

1.3 MnO2在复合材料领域的研究进展

1.4本论文的主要研究内容及创新点

2实验部分

2.1实验材料及实验仪器

2.2不同方式改性碳布增强树脂复合材料的制备

2.3碳纤维及复合材料的测试与表征

3碳布/MnO2纳米片增强树脂基复合材料力学及摩擦学性能研究

3.1引言

3.2碳纤维表面原位生长MnO2纳米片

3.3本章小结

4 CF-MnO2-APS增强树脂基复合材料的性能研究

4.1引言

4.2碳纤维表面原位生长MnO2纳米片/接枝APS

4.3 本章小结

5 CF-MnO2-MA增强树脂基复合材料的性能研究

5.1 引言

5.2碳纤维表面原位生长MnO2纳米片/接枝三聚氰胺（MA）

5.4 本章小结

6 结论及展望

6.1 结论

6.2 展望

致谢

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文及专利成果

声明