【摘 要】
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随着人类对海洋资源的开发,海洋摩擦学逐渐兴起。海洋中的摩擦环境极其复杂,不仅存在腐蚀介质的渗透,还面临海水冲击、深海高压等各种问题,海洋装备的摩擦防护成为巨大挑战。开发海洋环境中应用的耐磨防护涂层对海洋资源的开发具有重要意义。环氧树脂(EP)因具有优异的粘接性能、化学稳定性以及简单的施工工艺而被广泛应用于海洋环境的腐蚀防护。然而EP力学性能较差,对EP的增强改性是提升其摩擦防护性能的主要手段。氮化
【机 构】
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中国科学院大学(中国科学院宁波材料技术与工程研究所)
【出 处】
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中国科学院大学(中国科学院宁波材料技术与工程研究所)
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随着人类对海洋资源的开发,海洋摩擦学逐渐兴起。海洋中的摩擦环境极其复杂,不仅存在腐蚀介质的渗透,还面临海水冲击、深海高压等各种问题,海洋装备的摩擦防护成为巨大挑战。开发海洋环境中应用的耐磨防护涂层对海洋资源的开发具有重要意义。环氧树脂(EP)因具有优异的粘接性能、化学稳定性以及简单的施工工艺而被广泛应用于海洋环境的腐蚀防护。然而EP力学性能较差,对EP的增强改性是提升其摩擦防护性能的主要手段。氮化硼具有多种构型,其中立方氮化硼(CBN)的硬度仅次于金刚石,层状结构的六方氮化硼(HBN)具有优异的润滑性能,都是提升环氧树脂摩擦学性能的理想填料。本文立足于氮化硼在环氧树脂涂层中的结构调控,构建了立方氮化硼/EP复合涂层和六方氮化硼/EP复合涂层,系统考察了微纳米立方、六方氮化硼在环氧树脂中的结构排布对环氧树脂涂层摩擦学性能的影响规律,深入探究了六方氮化硼负载二氧化钛纳米颗粒复合材料在环氧涂层中的抗磨减摩机理。首先,制备了CBN微米、纳米颗粒增强的EP复合涂层(质量分数为30wt.%),并考察了其摩擦磨损和防腐性能。结果表明,通过聚多巴胺的表面改性提高了CBN颗粒与EP的相容性,从而增强了CBN在EP中的分散性。在干摩擦条件下,微米、纳米CBN颗粒的复配比例为1:1时,EP复合涂层摩擦学性能最佳。在海水润滑条件下,微米、纳米CBN颗粒的复配比例为2:1时,EP复合涂层的摩擦学性能最佳。微纳米颗粒增强改性增加了EP的机械性能,这是涂层摩擦学性能提升的主要原因。环氧复合涂层硬度的提升最为明显(CBN-EP-2复合涂层提升了98.0%),并且在海水润滑条件下的耐磨性与硬度大小成正相关。当微米、纳米CBN颗粒的复配比例为2:1时,涂层的抗腐蚀性能最佳。微纳米颗粒的分散排布使得涂层形成紧密结构,提高了环氧复合涂层的力学性能,增强了阻隔效应。其次,制备了HBN,二氧化钛(TiO2)和HBN负载TiO2材料(HBN-TiO2)增强的EP复合涂层,研究了EP及其复合涂层摩擦学性能。研究结果表明,复合涂层的机械性能有着显著的提升,其中复合涂层HBN-TiO2/EP硬度和拉伸强度的分别增加了33.9%和27.5%。TiO2纳米颗粒的添加能够减少摩擦磨损过程中的应力集中,提升环氧复合涂层的耐疲劳性能。二维材料(HBN)的添加能够通过自身层间滑移增强EP的润滑效果,从而降低EP复合涂层的磨损。HBN-TiO2/EP复合材料具有显著的抗磨和减摩特性,其磨损率相对于EP降低了65.8%,这归因于TiO2对复合涂层承载能力和HBN纳米片材的自润滑作用,以及它们之间的协同增益作用。最后,应用多孔模具构筑了具有多孔结构的环氧树脂的涂层,实现了HBN在环氧涂层中的点阵式分布,研究了HBN/EP复合涂层的抗磨减摩机理。结果表明,多孔结构通过裂纹的产生,吸收摩擦过程中的能量,提升了环氧树脂的摩擦磨损性能。HBN的点阵式分布有效降低EP涂层的摩擦系数,消除了裂纹的产生,使得磨损的方式表现为疲劳磨损。
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