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纳米粒子-纤维/环氧树脂基材料摩擦磨损性能研究

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摘要

第一章 绪论

1.1 前言

1.2 聚合物基材料摩擦磨损性能的研究现状

1.2.1 纤维/聚合物基复合材料的摩擦磨损性能研究现状

1.2.2 纳米粒子-聚合物基复合材料的性能研究现状

1.3 聚合物摩擦磨损机理研究

1.3.1 摩擦学基本内容

1.3.2 聚合物基复合材料磨损机理

1.3.3 玻璃化转变与材料摩擦磨损行为的关系

1.4 本课题研究的目的、意义及内容

1.4.1 课题研究的目的和意义

1.4.2 研究的主要内容

第二章 纤维对环氧树脂基材料摩擦磨损性能的影响

2.1 实验原料与设备

2.1.1 实验原料

2.1.2 实验设备

2.2 实验方法与结果计算

2.2.1 摩擦磨损实验测试方法

2.2.2 摩擦磨损结果计算

2.3 环氧树脂固化温度的确定

2.3.1 环氧树脂

2.3.2 实验原理

2.3.3 实验方法

2.3.4 DSC曲线峰的综合分析

2.3.5 EP固化温度的模拟

2.4 纤维/环氧树脂基材料的制备工艺

2.5 纤维对环氧树脂摩擦磨损性能的影响

2.5.1 碳纤维、芳纶纤维对环氧树脂摩擦磨损性能的影响

2.5.2 竹原纤维、洋麻纤维对环氧树脂摩擦磨损性能的影响

2.5 小结

第三章 纳米粒子对环氧树脂弯曲性能、摩擦磨损性能的影响

3.1 实验原料与设备

3.1.1 实验原料

3.1.2 实验设备

3.2 纳米无机粒子-环氧树脂基材料的制备工艺

3.3 实验测试方法

3.3.1 弯曲性能测试方法

3.3.2 摩擦磨损实验测试方法

3.4 纳米无机粒子对环氧树脂弯曲性能的影响

3.5 纳米无机粒子对环氧树脂摩擦磨损性能的影响

3.6 小结

第四章 纳米粒子-纤维/环氧树脂材料摩擦磨损性能的研究

4.1 实验原料、设备及方案

4.1.1 实验原料

4.1.2 实验设备

4.1.3 实验方案

4.2 纳米粒子-纤维/环氧树脂材料的制备工艺

4.3 实验测试原理及方法

4.3.1 动态热力学测试

4.3.2 摩擦磨损实验测试方法

4.4 纳米粒子-纤维/环氧树脂基材料动态热力学性能研究

4.4.1 纳米粒子对环氧树脂玻璃化转变温度Tg的影响

4.4.2 纳米粒子-环氧树脂基材料玻璃化转变温度Tg与体积磨损的关系

4.4.3 纳米粒子-纤维/环氧树脂材料的玻璃化转变温度Tg

4.5 纳米粒子-纤维/环氧树脂基材料摩擦磨损性能分析

4.5.1 不同测试条件对环氧树脂基复合材料摩擦系数的影晌

4.5.2 测试条件对环氧树脂体积磨损的影响

4.5.3 不同测试条件下环氧树脂磨损面的SEM分析

4.5.4 低速轻载测试下环氧树脂基复合材料体积磨损的分析

4.5.5 高速重载测试下环氧树脂基复合材料体积磨损的分析

4.6 小结

第五章 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢

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摘要

本课题基于纤维、纳米粒子对环氧树脂基复合材料摩擦磨损性能、热力学性能影响效果和机理的不同,选用碳纤维、芳纶纤维、竹原纤维和洋麻纤维为纤维增强材料,选用纳米SiO2、纳米石墨和碳纳米管为纳米粒子填充材料,分别制备了纤维/环氧树脂基复合材料和纳米粒子-环氧树脂基复合材料。研究了在不同含量下的纤维、纳米粒子对环氧树脂基材料摩擦磨损性能的影响效果和机理,以及在不同含量下的纳米粒子对环氧树脂基材料弯曲性能和玻璃化转变温度Tg的影响。然后筛选出了2种纤维(碳纤维、竹原纤维)、2种纳米粒子(纳米SiO2、CNTs),制备了在最优含量下的纳米粒子-纤维/环氧树脂基复合材料,并在不同测试条件下,对材料的摩擦磨损性能进行了测试,探讨了纤维与纳米粒子在改善环氧树脂基复合材料摩擦磨损性能方面的协同效应,并对其机理进行了分析。
  随着碳纤维含量的增加,环氧树脂的体积磨损数值下降幅度分别达到10.5%、63.4%和68.0%,碳纤维/环氧树脂复合材料的磨损主要表现为树脂基体脱落碳化和碳纤维的折断剥落。而加入竹原纤维后,环氧树脂的体积磨损数值呈现先增大后降低的趋势,其中加入2wt%和3wt%竹原纤维后环氧树脂的体积磨损数值分别为7.06和6.59,较纯环氧树脂分别下降12.4%和18.2%,材料的耐磨性增强。
  加入刚性纳米SiO2后,材料的弯曲强度、模量都随着纳米SiO2含量的增加略微增加,最大增幅在4%左右;加入CNTs后,材料的弯曲强度、弯曲模量都大幅度增加,最大增幅分别为15%和76%,增强增韧效果明显。纳米粒子对环氧树脂的Tg影响较大,即随着纳米粒子含量的增加,材料的玻璃化转变温度Tg呈线性下降的趋势。纳米粒子对材料Tg的影响和纳米粒子对材料体积磨损的影响二者之间呈现出一定的反向相关性。
  在提高环氧树脂的玻璃化转变温度Tg方面,纳米SiO2与竹原纤维表现出了很好的协同效应,其材料Tg达到了124℃,较纯环氧树脂的提高了11℃。在改善环氧树脂的摩擦磨损性能方面,纳米SiO2与竹原纤维也表现出很好的协同效应,尤其在高速重载条件下,其改善效果还优于碳纤维对环氧树脂的改善效果。

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