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兰州化物所苛刻条件下聚酰亚胺摩擦性能研究
取得系列进展
日期:2014-12-02 | | 【

  聚酰亚胺及其复合物具有良好的机械性能、化学物理性能等,因此在工程领域应用广泛。然而,在复杂环境中受外部苛刻条件影响,其性能会发生变化,从而影响机械部件的寿命和稳定性,导致机械故障。 

  中国科学院兰州化学物理研究所聚合物自润滑复合材料研究组针对苛刻条件下聚酰亚胺性能的变化进行研究并取得了系列进展。 

  研究人员合成了一系列不同数均分子量(Mn)的热固性聚酰亚胺低聚物,并制备了相应交联后的热固性聚酰亚胺(TPI),同时还考察了高温下TPI摩擦性能的变化以及Mn对其摩擦性能的影响。结果表明,在室温和高转速下,与热塑性聚酰亚胺相比,TPI的磨损率较高;然而当温度升高到300℃时,TPI样品表现出了良好的摩擦性能,远优于热塑性聚酰亚胺。就磨损机制而言,热塑性聚酰亚胺主要为粘着磨损;而随着温度的升高,TPI样品的磨损机制从疲劳磨损转变为粘着磨损。室温下,随着Mn的增加,TPI磨损机制从轻微粘着磨损转变为强烈的粘着磨损。高温下,与TPI-5Mn5000)、TPI-7Mn7000)和同源热塑性聚酰亚胺相比,TPI-3Mn3000)呈现出了最好的摩擦性能。因此得出结论,聚酰亚胺低聚物中Mn是影响玻璃化转变温度、机械和摩擦学性能的重要因素。该研究成果发表在Tribology International(Tribology International78(2014)47–59) 

  聚酰亚胺在真空中呈现出了良好的摩擦磨损性能。然而,目前为止有关质子辐照深度与磨损机理演变关系方面的报道较少。兰州化物所研究人员使用地面模拟设备考察了25keV质子照射(注量为2.25×1017 ion/cm2)对聚酰亚胺结构和摩擦性能的影响。结果表明,质子照射(照射深度为514nm)引起键断裂使得聚酰亚胺表面形成了富碳结构,从而增强了聚酰亚胺的表面硬度和表面能,使其变得硬而脆。

 

质子辐照聚酰亚胺磨损机制演变过程 

  通过对经辐照的聚酰亚胺进行摩擦试验发现,摩擦系数的变化与材料表面息息相关。在摩擦实验过程中,辐照形成的碳化层在摩擦试验中被磨穿,所以摩擦过程可分为起始阶段和稳定阶段。质子辐照提高了起始阶段的摩擦系数,降低了稳定阶段的摩擦系数。起始阶段是辐照形成的层与钢球的摩擦,摩擦系数较高,磨损机制为粘着磨损。稳定状态下,被磨损掉的碳层变成磨损碎片,吸附到表面,由于其较高的硬度和较小的尺寸,形成了三体磨粒磨损三体磨粒磨损和低表面能降低了稳定阶段的磨损率和摩擦系数。研究成果发表在Wear(Wear316(2014)30–36) 

  以上研究对于扩展聚酰亚胺在苛刻环境中的应用提供了理论指导。工作得到了国家杰出青年科学基金的支持。 

 

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