论文部分内容阅读
高温高压无油润滑压缩机体现一个国家的工业设备水平，其动密封元件长寿命问题是一个全球性难题。目前，国内主要使用玻纤、碳纤维(CF)等填充聚四氟乙烯(PTFE)作为无油润滑材料。该类材料在低压下的平均使用寿命为6000小时左右;但在中压并同时处于高温(180℃)条件下寿命低于1300小时，在高压或高温环境下只有几百小时，远远不能达到工业“使用寿命一年即8000小时以上”的要求。本课题组先前的工作利用先进陶瓷纤维混杂协同增强CF/PTFE复合材料，提高了中高压压缩机密封件的耐磨性能，使用寿命4000～8000小时，是国外产品的4～12倍，广受用户好评，荣获国家技术发明二等奖。 但是随着压缩机向小型化继而高速化发展，上述密封元件材料就达不到工业应用的要求，根本原因是由于高速高温等苛刻环境下，摩擦过程易在摩擦表面积聚较高的摩擦热，使得复合材料表面局部区域温度过高，摩擦热来不及导出，造成复合材料高温熔融、氧化分解、疲劳磨损加剧，最终致使材料迅速失效。 石墨烯(GE)是世界上最薄的二维材料，具有较大比表面积（约2630m2/g）、极高的热导率(5000W/mK)、杨氏模量(1000GPa)和断裂强度(130GPa)。GE紧密堆积的稳定结构，使其具有优异的化学稳定性、较高的导热性和自润滑性。这些特殊性质使其成为理想的导热填料并被广泛应用于聚合物基复合材料来提高其摩擦学性能。然而GE化学结构平稳、化学稳定性好、表面没有活性官能团和其它材料间的作用力很弱，而且GE片层之间极易团聚，使得GE极难在聚合物基体中形成良好的分散状况，这给GE和聚合物材料结合带来了极大的难题。 针对上述情况，本文探索了GE和其它纳米填料填充CF/PTFE复合材料在不同滑动速度（1.4，2.1，2.5m/s）条件下的摩擦磨损性能、力学性能以及磨损机制。论文主要研究结论归纳如下: 1.将GE增强CF/PTFE，并与碳纳米管(CNTs)以及传统无机纳米填料——纳米ZnO、纳米TiO2填充作比较，结果表明:1）任何速度下，以功能碳纳米填料无论是GE还是CNTs均能提高CF/PTFE的耐磨性，而纳米ZnO、纳米TiO2的加入有时反而降低了其耐磨性能，磨损率:低速下（1.4m/s）， WCNTs/CF/PTFE＜WGE/CF/PTFE＜ WTiO2/CF/PTFE＜WCF/PTFE＜ WZnO/CF/PTFE;中速下(2.1m/s)，WCNTs/CF/PTFE＜WGE/CF/PTFE＜WZnO/CF/PTFE＜ WTiO2/CF/PTFE＜WCF/PTFE;高速下（2.5m/s），WGE/CF/PTFE＜ WCNTs/CF/PTFE＜ WCF/PTFE＜ WZnO/CF/PTFE＜ WTiO2/CF/PTFE;2)在低中速条件下，GE并没有比CNTs更有优势，但在高速条件下，GE比CNTs稍强，与CF/PTFE复合材料相比，GE和CNTs的磨损率分别降低了40％，35％左右，而纳米ZnO、纳米TiO2的磨损率反而分别提高了12％，9％左右。因此，GE比CNTs更适合于高速。 2.为了解决高速引起高温继而导致材料失效问题，本文采用导热系数高的碳材料(石墨(Gr)、GE和CNTs）填充聚合物，以提高其导热性能和磨损性能。研究表明，在高速条件下(2.5m/s)，填充0.8wt％ GE、0.5wt％ CNTs和2wt％Gr的CF/PTFE复合材料性能最佳，与CF/PTFE相比，导热性能分别提高4.2％，2.3％，1.2％(180℃);而摩擦系数分别下降13％，6％，4％;磨损率分别下降了46％，35％，21％，可见，复合材料良好的导热性能能够在摩擦过程中有助于传导散热，进而降低对偶面的接触温度和摩擦系数，所以材料高温熔融程度下降，磨损率也有所降低。SEM分析结果表明片状GE自身优异的力学性能和良好的导热性能有助于在对偶表面生成连续、均匀和柔韧性较高的转移膜，所以使得复合材料亚表面层蜕化和生成疲劳裂纹的几率降低，磨损性能随之提高。 3.化学结构稳定的GE与其他材料间的作用力很弱，且GE片层之间极易团聚，这给GE和聚合物材料结合带来了极大的难题。因此，本文从表面改性GE的角度填充CF/PTFE来进行研究，通过对GE表面进行改性，研究不同改性剂改性GE增强CF/PTFE复合材料的摩擦磨损性能。研究发现硅烷偶联剂(KH560，KH550)、TiO2、钛酸酯偶联剂(NDZ-401)和十八烷基三氯硅烷(OTS)等改性剂改性GE填充均能提高CF/PTFE的磨损性能;与未改性GE/CF/PTFE相比，磨损率依次降低了21％、42％、48％、48％和53％;研究还发现OTS自组装技术的处理效果要明显优于传统硅烷偶联剂且能够更加有效的提高填料同基体的界面结合强度。