环氧树脂减摩耐磨复合材料涂层的结构与性能

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本论文以提高环氧树脂涂层的耐磨性为目标,以改性的纳米SiO<,2>粒子、短碳纤维和石墨为填料,研究了不同填料对涂层耐磨性的影响,同时对复合材料的其它性能如弯曲性能、动态力学性能以及涂层的硬度和粗糙度进行了分析,对其摩擦磨损机理进行了初步探讨。 为了改善纳米粒子在环氧树脂基体中的分散性,提高无机粒子与基体的界面结合力,选择马来酸酐和苯乙烯单体在粒子表面进行接枝改性。在固化剂2-乙基-4-甲基咪唑的催化作用下,粒子表面的酸酐基团能与环氧基团进行反应,增强粒子与基体之间的界面粘结。 本论文系统研究了各种聚合条件(引发剂浓度、单体加入量的比例、反应温度以及溶剂极性)对接枝效果的影响,认为体系中马来酸酐、苯乙烯接枝到粒子表面的反应与它们共聚的反应是一对竞争反应,环己酮极性溶剂可能主要分布在SiO<,2>-KH570粒子周围,马来酸酐易溶于环己酮中,所以更容易分布在粒子周围,影响马来酸酐和苯乙烯在粒子表面的接枝。 改性粒子与环氧树脂在固化条件下基本不发生反应,而固化剂2-乙基-4-甲基咪唑使得改性粒子上的酸酐开环生成羧酸;固化动力学分析表明:纳米粒子表面的羟基对环氧树脂的固化起促进作用;与未改性的粒子相比,填充SiO<,2>-SMA粒子的固化体系的粘度较低,所以固化起始温度较低,但反应活化能较高。 涂层的摩擦磨损性能研究表明,在环氧树脂中加入纳米SiO<,2>粒子后,粒子的存在抑制了裂纹的发展,减弱了材料的破坏;由于SiO<,2>粒子或烷基化处理的SiO<,>2粒子在基体中的分散性以及界面作用较差,所以含量提高时,耐磨性变差;SiO<,2>-SMA粒子填充体系摩擦过程中,在表面形成片层结构,有效降低了材料的磨损量。增加SiO<,2>-SMA粒子的填充量,复合体系磨损量变化较小;在填充SiO<,2>-SMA粒子的体系中加入短碳纤维后,环氧树脂耐磨性得到进一步提高,这是由于涂层中横向排布的碳纤维的增强以及润滑作用,降低了砂轮对涂层的碾压和刮擦,纤维附近的片层结构不完整不利于耐磨性的提高;石墨的加入有利于片层结构的形成,所以进一步提高了耐磨性;但是二者的量都不能太高,碳纤维过高时,在涂层中的堆叠分布增加了材料的破坏,而石墨与基体的界面结合力较弱也对耐磨性产生不利影响; 复合材料高的弯曲模量和良好的界面作用有利于提高涂层的耐磨性,此外,耐磨性还与摩擦过程中片层结构的形成有关;涂层的摆式硬度与耐磨性之间并没有明显的联系;显微硬度较低时,涂层的耐磨性较好,可能是由于硬度低时有利于摩擦过程中片层结构的形成。
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