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大連理工大學(xué)蹇錫高院士團(tuán)隊(duì)：一種提高PPESK復(fù)合材料耐磨性的界面改性新策略
2024-01-05  來源：高分子科技

  高速、重載、極端環(huán)境等苛刻條件下服役的高端裝備傳動或轉(zhuǎn)動系統(tǒng)對耐高溫、高耐磨、高強(qiáng)度樹脂基自潤滑復(fù)合材料需求迫切。雜萘聯(lián)苯聚芳醚酮（PPESK）既耐高溫又可溶解，是一種非常有潛力的高性能工程塑料，PPESK自潤滑復(fù)合材料具有較優(yōu)的摩擦性能。然而，樹脂基復(fù)合材料為多相體系，不可避免的存在填料與基體相容性較差的問題。在摩擦過程中填料容易從基體相中脫離，導(dǎo)致復(fù)合材料磨損量增大，從而限制了它的實(shí)際應(yīng)用。因此，迫切需要開發(fā)一種優(yōu)化填料與基體之間界面結(jié)合強(qiáng)度的簡便策略，以提高復(fù)合材料的耐磨性能。


  耐磨自潤滑樹脂基復(fù)合材料組分中同時(shí)包括多種硬質(zhì)增強(qiáng)相和固體潤滑相，各組分的表面結(jié)構(gòu)各不相同且界面相互作用復(fù)雜，單一偶聯(lián)劑的使用難以滿足界面改性的需求。因此，合適的偶聯(lián)劑種類、含量及其之間的協(xié)同作用對復(fù)合材料的界面性能和摩擦性能至關(guān)重要。



  近日，大連理工大學(xué)蹇錫高院士團(tuán)隊(duì)以硅烷偶聯(lián)劑、鈦酸酯偶聯(lián)劑、鋁酸酯偶聯(lián)劑復(fù)配對耐磨自潤滑填料實(shí)現(xiàn)一步法界面改性，并通過模壓成型制備出磨損性能優(yōu)異的PPESK復(fù)合材料。利用RSM的“Box-Behnken Design”分析偶聯(lián)劑種類、含量及其相互作用對PPESK復(fù)合材料磨損系數(shù)的影響，并得出最佳改性策略。通過XPS、XRD譜圖表征偶聯(lián)劑的改性情況，并對復(fù)合材料的摩擦性能、熱性能和力學(xué)性能進(jìn)行評價(jià)。利用掃描電子顯微鏡(SEM)和三維表面測量系統(tǒng)(3D)對磨損表面進(jìn)行觀察，分析復(fù)合材料的潤滑機(jī)理。在此基礎(chǔ)上，制備了樹脂基復(fù)合材料航空發(fā)動機(jī)燃油泵高速止推軸承，并研究了其在3號噴氣燃料環(huán)境中的摩擦性能和介質(zhì)耐受性能。該工作以“A novel interfacial modification strategy to improve the wear resistance of PPESK composites”為題發(fā)表在《Composites Part A: Applied Science and Manufacturing》，第一作者為大連理工大學(xué)化工學(xué)院的博士研究生鮑慶光，通訊作者為李楠高級工程師。相關(guān)研究工作得到國家自然科學(xué)基金（52203081）等資助。 


圖1 本工作的設(shè)計(jì)思路圖


  通過偶聯(lián)劑復(fù)配實(shí)現(xiàn)對多種填料的一步改性，基于RSM實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與模型分析成功建立了偶聯(lián)劑含量與復(fù)合材料磨損率之間的關(guān)聯(lián)模型，并得出最佳偶聯(lián)劑改性策略，KH550/TCA201/HYA1的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.62%/2.86%/1%。 


圖2 磨損率（ω）模型的響應(yīng)面分析


  填料的改性效果通過XPS、XRD進(jìn)行驗(yàn)證，改性后的PPESK復(fù)合材料表現(xiàn)出優(yōu)異的熱性能、力學(xué)性能和摩擦性能，T5wt%為517.6℃，導(dǎo)熱系數(shù)為0.551 W/(m·K)，洛氏硬度為118HRR，磨損率為0.72×10-15m3/Nm，這得益于偶聯(lián)劑改性后使得基體與填料之間的界面結(jié)合強(qiáng)度提高。 


圖3 耐磨自潤滑填料的XPS、XRD譜圖 


圖4 PPESK復(fù)合材料的熱性能、力學(xué)性能和摩擦性能 


圖5 PPESK復(fù)合材料的磨損表面分析


  此外，作者以PPESK復(fù)合材料為基礎(chǔ)制備了航空發(fā)動機(jī)燃油泵高速止推軸承，這種軸承表現(xiàn)出優(yōu)異的輕量化優(yōu)勢，在3號噴氣燃料中展現(xiàn)出良好的使役性能，摩擦系數(shù)為0.079，磨損率為5.2×10-16m3/Nm，潤濕接觸角為19.5°，且浸泡90天后的溶脹度低于0.5%。 


圖6 PPESK復(fù)合材料止推軸承的使役性能


  該工作通過RSM設(shè)計(jì)多種偶聯(lián)劑協(xié)同改性填料界面性能，為多相材料體系界面改性提供了一種新的簡便策略，制備的PPESK復(fù)合材料在航空發(fā)動機(jī)軸承領(lǐng)域顯示出巨大的應(yīng)用前景。


  原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.compositesa.2023.107966

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