稀土改性碳纤维增强聚四氟乙烯复合材料摩擦学性能研究

摘要

聚四氟乙烯(PTFE)以极低的摩擦系数、优异的热稳定性和耐腐蚀性著称，是一种理想的自润滑材料。但是，纯PTFE机械性能差、线膨胀系数大、导热性差，导致其磨损量大，因而不适于单独作耐磨材料使用。碳纤维(CF)具有高比强度、高模量、极佳的抗疲劳和抗蠕变性能，被广泛用于复合材料增强相。由于碳纤维表面呈化学惰性，与树脂基体复合时存在浸润性差、难以形成有效粘结的问题，极大地限制了碳纤维复合材料性能的发挥。 针对界面性质是影响复合材料综合性能的关键因素，本论文用稀土对碳纤维进行表面改性，以有效地提高碳纤维与PTFE基体之间的界面结合强度及界面韧性，进而提高碳纤维填充PTFE(CF/PTFE)复合材料的摩擦学性能，取得了原创性的研究结果。 第一，分别采用稀土改性剂、空气氧化法对碳纤维进行表面处理，开展了不同表面处理碳纤维填充PTFE复合材料力学性能的测试，确定了稀土改性剂中稀土元素的最佳含量。结果表明：稀土表面处理比空气氧化法更有效地提高了碳纤维与PTFE基体之间的界面结合性能；稀土表面处理CF/PTFE复合材料的界面结合性能主要受其中稀土元素含量的影响，当稀土元素的含量为0.3wt％时，复合材料的力学性能最佳。 第二，运用X射线光电子能谱(XPS)分析技术，探讨了碳纤维表面改性作用的机理。结果表明：采用稀土改性剂处理碳纤维，通过稀土与碳的亲和作用导致纤维表面的碳．碳键松弛并活化碳纤维表面，提高了碳纤维表面的含氧官能团数量；稀土元素与碳纤维表面含氧官能团以及FIFE分子之间发生配位化学反应，形成了稀土配位键合，使CF/PTFE复合材料形成强韧性的界面层，从而显著提高了复合材料的力学性能。 第三，采用经过不同表面改性处理的碳纤维填充PTFE，制备得到CF/FYFE复合材料，系统研究了复合材料在连续滑动摩擦条件下的摩擦磨损性能。结果表明：在相同试验条件下，稀土表面处理CF/PTFE复合材料比未经表面处理以及空气氧化处理CF/PTFE复合材料具有更优异的摩擦学性能；油润滑使CF/PTFE复合材料的摩擦系数和磨损量比干摩擦时明显降低。 第四，在往复滑动摩擦条件下，稀土表面处理所形成的优异强韧性界面层能够抵抗往复载荷形成的冲击，有效地抑制了PTFE的片状剥落和大规模转移，从而降低了CF/FYFE复合材料的摩擦磨损。 第五，探讨了稀土表面处理提高CF/FFFE复合材料摩擦学性能的机理。经稀土表面处理后，强韧性的界面层使碳纤维的增强作用得到有效发挥，并提高了复合材料的承载能力。稀土摩擦化学反应促进了PTFE复合材料在对偶件表面转移膜的形成；摩擦化学反应的产物在干摩擦条件下可起到有效润滑作用，油润滑条件下与碳纤维表面的稀土配合物一起成为润滑油添加剂，提高润滑效果。 本文基于制备高性能的CF/PTFE复合材料，探讨了稀土改性碳纤维表面的工艺方法以及提高复合材料界面强韧性的机制，深入系统地研究了稀土表面改性对CF/FFFE复合材料力学及摩擦学性能的影响，阐明了其作用机理。发展稀土改性碳纤维增强热塑性复合材料新技术，对于提高CF/PTFE复合材料的工程应用价值、扩大稀土在表面工程领域的应用等方面具有重要意义。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：符号说明

声明

第一章绪论

1.1选题背景及研究意义

1.2国内外研究现状

1.2.1碳纤维及其复合材料

1.2.2碳纤维的表面改性研究

1.2.3复合材料的界面

1.2.4PTFE及其复合材料的摩擦学研究

1.2.5稀土元素及其化合物

1.3本论文研究拟解决的关键问题

1.4本论文研究的主要内容

第二章试验设计和研究方法

2.1试验材料

2.1.1配方设计

2.1.2原材料选择

2.2试验研究方法

2.2.1碳纤维的表面处理试验

2.2.2CF/PTFE复合材料的制备

2.2.3CF/PTFE复合材料力学性能试验

2.2.4碳纤维表面处理表征试验

2.2.5连续滑动摩擦条件下CF/PTFE复合材料摩擦学性能试验

2.2.6往复滑动摩擦条件下CF/PTFE复合材料摩擦学性能试验

第三章碳纤维表面改性及其PTFE复合材料力学性能研究

3.1引言

3.2CF/PTFE复合材料的拉伸性能

3.2.1稀土改性剂浓度对CF/PTFE复合材料拉伸性能的影响

3.2.2稀土处理与空气氧化处理碳纤维对CF/PTFE复合材料拉伸性能的影响

3.3CF/PTFE复合材料的弯曲性能

3.3.1稀土改性剂浓度对CF/PTFE复合材料弯曲性能的影响

3.3.2稀土处理与空气氧化处理碳纤维对CF/PTFE复合材料弯曲强度的影响

3.4界面与CF/PTFE复合材料的力学性能

3.5本章小结

第四章碳纤维表面改性作用机理分析

4.1引言

4.2碳纤维表面改性处理的表征

4.2.1碳纤维表面成分构成

4.2.2纤维表面碳元素的XPS表征

4.2.3纤维表面氧元素的XPS表征

4.2.4稀土镧的XPS表征

4.3空气氧化处理碳纤维的作用机理

4.4稀土表面处理碳纤维的作用机理

4.4.1碳纤维的微结构

4.4.2稀土元素的化学性质

4.4.3稀土元素的作用机理

4.4.4稀土元素最佳含量机制

4.5本章小结

第五章CF/PTFE复合材料的连续滑动摩擦磨损性能试验研究

5.1引言

5.2CF/PTFE复合材料的摩擦磨损性能

5.2.1干摩擦条件下CF/PTFE复合材料的摩擦磨损性能

5.2.2油润滑条件下CF/PTFE复合材料的摩擦磨损性能

5.2.3磨损表面形貌分析

5.3本章小结

第六章CF/PTFE复合材料的往复滑动摩擦磨损性能试验研究

6.1引言

6.2CF/PTFE复合材料的摩擦磨损性能

6.2.1干摩擦条件下纤维表面处理对复合材料摩擦磨损性能的影响

6.2.2油润滑条件下纤维表面处理对复合材料摩擦磨损性能的影响

6.2.3磨损表面形貌分析

6.2.4摩擦对偶件成分及表面形貌分析

6.3本章小结

第七章CF/PTFE复合材料摩擦磨损机理研究

7.1引言

7.2CF/PTFE复合材料摩擦学性能的主要影响因素

7.3稀土表面处理对CF/PTFE复合材料摩擦学性能影响的机理

7.3.1CF/PTFE复合材料界面结合性能的作用机理

7.3.2摩擦化学反应对CF/PTFE复合材料摩擦学性能影响的机理

7.4试验条件对CF/PTFE复合材料摩擦学性能影响的机理

7.4.1载荷和滑动速度的作用机理

7.4.2油润滑的作用机理

7.5CF/PTFE复合材料的磨损特征

7.6本章小结

第八章全文总结

8.1论文主要内容及结论

8.2本论文的创新点

8.3对今后工作的建议

参考文献

致谢

作者攻读博士学位期间发表和录用的论文

作者攻读博士学位期间申请的发明专利

作者攻读博士学位期间获得的奖励及荣誉