湿化学改性碳纤维增强湿式摩擦材料摩擦学性能研究

摘要

湿式摩擦材料是工作在油润滑条件下的摩擦材料，广泛应用于小型汽车、工程机械、重载车辆和摩托车等的湿式离合制动装置中，实现传动过程中的制动、离合和变速。碳纤维增强湿式摩擦材料是近年发展起来的一种新型湿式摩擦材料，具有优异的耐热性能和摩擦磨损性能，能够满足高转速、大压力和润滑不充分等极端工况的要求。但碳纤维表面较为光滑且化学惰性很高，影响了其与树脂基体间的结合，是摩擦材料过度磨损的原因之一。基于此，本文通过表面接枝和纳米颗粒包覆对碳纤维进行表面改性处理，设计并制备改性碳纤维增强湿式摩擦材料，探索碳纤表面处理工艺对纤维表面物理化学状态的影响，深入讨论了摩擦材料组成、内部孔隙结构和摩擦磨损性能之间的关系。
　　(1)双烯合成工艺能够实现碳纤维无损伤活化，本文通过水热双烯合成工艺制备了马来酸酐改性碳纤维，研究了改性工艺对碳纤维表面活性、表面结构及摩擦材料拉伸强度的影响。结果表明水热双烯合成工艺实现了碳纤维无损伤活化，其表面不饱和碳原子数目显著提高，摩擦材料的拉伸强度达到14.57MPa，显示出良好的界面结合，有利于摩擦过程摩擦膜的形成。
　　(2)通过控制水热双烯合成反应温度和反应时间制备了马来酸酐改性碳纤维，研究了反应时间和反应温度对碳纤维润湿性及摩擦材料拉伸强度、孔隙率和摩擦磨损性能的影响。结果表明反应温度和时间的上升有利于提高马来酸酐在碳纤维表面的接枝率，增强纤维表面的润湿性能，有利于其纤维增强摩擦材料摩擦膜的形成。水热反应温度100℃制得的改性碳纤维增强摩擦材料具有优异的耐磨损性能，磨损量仅为1.39mm3;反应时间为3h制备的改性碳纤维样品能够维持较高的动摩擦系数，显示了良好的摩擦学性能。
　　(3)通过水热合成工艺在碳纤维表面引入MnO2纳米棒实现多尺度改性，并以其为增强纤维制备了摩擦材料，研究了改性工艺对碳纤维表面活性、表面结构、润湿性及其纤维增强摩擦材料层间剪切强度的影响，主要结论有:通过水热合成工艺实现了纯相MnO2在碳纤维表面的生长，提高了碳纤维的表面活性和润湿性，改性碳纤维增强摩擦材料的层间剪切强度相比未改性样品提高了30％。
　　(4)通过控制水热反应温度和时间制备了MnO2多尺度改性碳纤维，并以其为增强纤维制备了摩擦材料，研究了反应时间和反应温度对碳纤维表面形貌及其纤维增强摩擦材料摩擦磨损性能的影响，主要结论有:反应温度和时间的上升有利于使MnO2生长在碳纤维表面，增强碳纤维的表面活性、表面积和表面粗糙度，提高纤维与树脂基体间的物理化学结合。其中水热反应温度150℃和反应时间24h制备的改性碳纤增强摩擦材料具有完整的摩擦膜，磨损量分别为2.26mm3和1.74mm3，展现出较好的耐磨损性能。

目录

摘要

1 绪论

1．1 复合材料概述

1．2 碳纤维简介

1．3 碳纤维增强湿式摩擦材料研究进展

1．4 改性碳纤维的研究进展

1．4．1 湿化学法

1．4．2 干化学法

1．4．3 表面涂层法

1．5 本论文的主要研究内容及创新点

2 实验部分

2．1 实验原料

2．2 实验仪器

2．3 湿式摩擦材料的制备

2．4 测试与分析

2．4．1 红外光谱

2．4．2 拉曼光谱

2．4．3 X射线光电子能谱

2．4．4 力学性能测试

2．4．5 扫描电子显微镜

2．4．6 孔隙率测定

2．4．7 接触角测试

2．4．8 摩擦磨损性能测试

3 马来酸酐改性碳纤维表界面性能研究

3．1 引言

3．2 实验部分

3．3 马来酸酐改性碳纤维表面化学状态分析

3．3．1 红外光谱分析

3．3．2 X射线光电子能谱分析

3．3．3 拉曼光谱分析

3．3．4 碳纤维表面形貌分析

3．4 马来酸酐改性碳纤维增强摩擦材料表面形貌与拉伸强度分析

3．5 本章小结

4 马来酸酐改性碳纤维增强湿式摩擦材料摩擦学性能研究

4．1 引言

4．2 实验部分

4．3 水热反应温度的影响

4．3．1 接触角分析

4．3．2 SEM及拉伸强度分析

4．3．3 压力稳定性分析

4．3．4 滑速稳定性分析

4．3．5 磨损量及磨损后形貌分析

4．4 水热反应时间的影响

4．4．1 接触角分析

4．4．2 SEM及拉伸强度分析

4．4．3 压力稳定性分析

4．4．4 滑动稳定性分析

4．4．5 磨损量及磨损后形貌分析

4．5 本章小结

5 MnO2多尺度改性碳纤维表面性能研究

5．1 引言

5．2 实验部分

5．3 MnO2多尺度改性碳纤维表面化学状态分析

5．3．1 碳纤维的XRD测试分析

5．3．2 碳纤维的XPS测试

5．3．3 SEM测试

5．3．4 润湿性和摩擦材料层间剪切强度测试

5．4 本章小结

6 MnO2改性碳纤维增强湿式摩擦材料摩擦学性能研究

6．1 引言

6．2 实验部分

6．3 水热反应温度的影响

6．3．1 SEM及XRD测试

6．3．2 磨前表面形貌

6．3．3 压力稳定性

6．3．4 滑速稳定性

6．3．5 磨损量及磨损后形貌

6．4 水热反应时间的影响

6．4．1 SEM测试

6．4．2 磨前表面形貌

6．4．3 压力稳定性

6．4．4 滑动速度稳定性

6．4．5 磨损量及磨损后形貌

6．5 本章小结

7 结论

致谢

参考文献

攻读硕士期间的主要研究成果

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