微胶囊改性尼龙6基自润滑复合材料的摩擦学性能研究

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自润滑轴承是航空装备中应用广泛的支撑零部件,决定自润滑轴承服役性能和寿命的关键因素是其内外圈之间的自润滑材料的摩擦磨损性能。因此,开发新型自润滑材料,用于研制高性能自润滑轴承一直受到广泛的关注。尼龙6(PA6)是最早工程应用的聚合物材料之一,已经广泛应用于齿轮、凸轮、滑块等运动零部件中。目前,PA6材料存在摩擦磨损较大的问题,无法满足高端自润滑轴承的应用需求。微胶囊作为新型的含油润滑添加剂已经被证实比固体润滑剂具有更加优异的减摩耐磨效果,将微胶囊引入到PA6中有望大幅提升PA6的摩擦学性能。本文分别以聚多巴胺功能化和化学镀镍改性传统的聚砜包覆PAO40微胶囊(DMS微胶囊和NMS微胶囊)来提高微胶囊壳体耐高温性能。并通过热模压分别制备了含两种微胶囊的PA6基复合材料,进行了系统的热性能、力学性能和摩擦学性能研究。其中,10wt.%的NMS微胶囊效果最优,有效改善摩擦界面状态,并在对磨副表面形成润滑油膜,使PA6的摩擦系数由0.45降低至0.06,磨损率降低两个数量级。然而,微胶囊对PA6的力学性能有削弱效果,为了提高PA6基复合材料在应用中的承载能力,之后以10 wt.%的NMS微胶囊为基础,分别加入玻璃纤维(GF)、碳纤维(CF)和芳纶纤维(AF)进行二元改性,进而注塑成型制备半环样件进行模拟自润滑轴承工程应用研究,并对形成的转移膜随工况变化的演变过程进行了分析。在低速重载工况下,样件主要失效原因是承载能力不足导致的挤压撕裂,此时,硬质GF和CF可以提高PA6的抗变形能力,相应的样件表现出更优异的性能。在高速轻载的工况下,硬质GF和CF会加剧磨粒磨损现象,导致样件大面积剥落失效,而软质AF可以起到机械互锁和增加耐磨性效果。短纤维的加入提高了基体应对实际应用工况的能力,进而保障了微胶囊正常释放参与润滑,并促进对磨副上形成高质量转移膜。此外,对在低速重载下性能优异的样件进行了10万次长寿命性能考核,摩擦系数和磨损深度始终保持低且平稳的值,验证了微胶囊改性PA6用于自润滑轴承的可行性。本论文以微胶囊改性PA6为突破点,开发一种新型PA6基自润滑材料,验证了微胶囊作为润滑添加剂可以极大的降低PA6的摩擦磨损。通过微胶囊和短纤维多元改性制备了模拟轴承应用的半环样件,对设计的半环样件进行了模拟实际工况的工程应用研究,表现出优异的性能,所制备的PA6基自润滑材料有望应用于国产高性能自润滑轴承的研制。
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