耐磨陶瓷/聚合物（高分子）涂层的制备和性能研究

摘要

涂层在克服机器零件磨损的问题中发挥越来越广泛的作用，为使涂层具有更好的耐磨效果，本实验以性能优异、应用广泛的双酚A型环氧树脂为基料，辅助其它助剂，添加亚微米级的陶瓷颗粒Al2O3、ZrO2、SiC(平均粒径分别为0.58μm、0.36μm、0.5μm)，通过组分优化，研制了具有耐磨性能的陶瓷/聚合物涂层。 实验采用扫描电镜表征了陶瓷颗粒在聚合物中的分散及其与聚合物之间的结合情况，借助硬度仪评价了亚微米级陶瓷颗粒的添加对涂层硬度的影响，通过磨损实验研究了涂层在湿磨和干磨情况下的摩擦性能，另外，还对涂层的耐腐蚀性以及粘结强度等进行了考察。 研究结果表明，通过对高分子聚合物组分优化及采用适当的搅拌方法，陶瓷颗粒在聚合物中分散得较均匀。随着陶瓷颗粒含量的增加，复合涂层的硬度也随之增加，对于SiC/聚合物涂层而言，当SiC的质量百分含量达到40％时，涂层的硬度具有较大的提高，其洛氏硬度超过82.5。湿磨条件下，将陶瓷颗粒添加到环氧基复合材料中能明显地改善涂层的摩擦学性能，提高其抗磨能力；实验对比了添加不同含量的陶瓷颗粒所形成的复合涂层的磨损性能，发现当Al2O3、ZrO2和SiC的质量百分含量分别为20％、30％、20％时，涂层具有最好的耐磨性，其磨损率趋于稳定，分别是0.025％、0.027％、0.024％。干磨条件下，以SiC为增强体的复合涂层的磨损率同样比以Al2O3、ZrO2为增强体的复合涂层的磨损率偏低。无机粒子填充高分子复合材料能够有效地提高抗磨性能，其主要作用机理为增加复合材料的承载能力。冲蚀条件下，环氧基涂层主要以显微切削为主；而陶瓷/环氧基复合涂层主要以软基体的选择磨损及硬质点被挖出脱落为主。化学腐蚀实验表明，陶瓷/聚合物复合涂层比环氧基涂层具有更好的耐腐蚀性。涂层除了具有较好的耐磨性外，还应该有较强的粘结力度，拉伸实验发现涂层与基体之间的粘结强度较强，尤其是以SiC为增强体的复合涂层的粘结强度最高，为17.77MPa。

目录

文摘

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第一章综述

1.1前言

1.2陶瓷/聚合物涂层简介

1.2.1陶瓷/聚合物涂层的定义

1.2.2陶瓷/聚合物涂层的工艺特点

1.2.3环氧耐磨涂层的分类

1.3基本组分

1.3.1环氧树脂

1.3.2溶剂和助剂

1.3.3填料

1.4陶瓷/聚合物涂层的作用机理

1.4.1高分子固体润滑耐磨涂层的作用机理

1.4.2环氧基耐磨涂层的形成原理

1.4.3颗粒增强机理

1.4.4涂层附着力的作用机理

1.5耐磨胶粘涂层的失效

1.5.1磨损失效

1.5.2粘接失效

1.6聚合物基复合材料的摩擦学性能

1.6.1摩擦磨损的基础理论

1.6.2聚合物材料的摩擦磨损理论

1.6.3聚合物基复合材料的滑动摩擦学性能

1.6.4聚合物基复合材料的冲蚀摩擦学性能

1.6.5聚合物材料的磨损分类

1.7陶瓷/聚合物耐磨涂层在国内外的发展状况

1.8结语

第二章实验方案设计与实验方法

2.1原材料

2.2实验仪器

2.3实验设计思路

2.4实验关键步骤

2.4.1基体的表面处理

2.4.2陶瓷/聚合物涂层的制备

2.4.3陶瓷/聚合物涂层的涂敷工艺

2.4.4涂层抗冲蚀磨损性能测试

2.4.5涂层的胶合与固化

2.5性能测试方法及分析手段

2.5.1干燥时间测试

2.5.2硬度测试

2.5.3耐蚀性能测试

2.5.4金相显微镜分析

2.5.5硬度分析

2.5.6扫描电镜分析

2.5.7磨损率测定

2.5.8粘结强度测试

第三章实验结果与讨论

3.1高分子聚合物组分的优化

3.1.1环氧树脂与固化剂的比值对涂层固化时间的影响

3.1.2消泡剂含量对涂层显微结构的影响

3.1.3小结

3.2陶瓷颗粒在胶粘剂中的分散及结合

3.2.1搅拌时间对陶瓷颗粒在胶粘剂中的分散情况的影响

3.2.2陶瓷颗粒与聚合物间的结合情况

3.3影响涂层硬度的因素

3.3.1陶瓷含量对涂层硬度的影响

3.3.2涂层厚度对其硬度的影响

3.4陶瓷/聚合物涂层的磨损率

3.4.1湿磨

3.4.2干磨

3.5含不同含量陶瓷颗粒的涂层的表面磨损形貌的比较

3.6陶瓷/聚合物涂层的磨损机理

3.6.1湿磨

3.6.2干磨

3.7陶瓷颗粒添加对涂层韧性的影响

3.8陶瓷/聚合物涂层的腐蚀性能

3.9粘结性能的研究

3.9.1粘结强度

3.9.2剪切破坏后的基片表面形貌

第四章结论

参考文献

发表论文及科研情况

致谢