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大連理工大學蹇錫高院士團隊：一種提高PPESK復合材料耐磨性的界面改性新策略
2024-01-05  來源：高分子科技

  高速、重載、極端環(huán)境等苛刻條件下服役的高端裝備傳動或轉動系統(tǒng)對耐高溫、高耐磨、高強度樹脂基自潤滑復合材料需求迫切。雜萘聯(lián)苯聚芳醚酮（PPESK）既耐高溫又可溶解，是一種非常有潛力的高性能工程塑料，PPESK自潤滑復合材料具有較優(yōu)的摩擦性能。然而，樹脂基復合材料為多相體系，不可避免的存在填料與基體相容性較差的問題。在摩擦過程中填料容易從基體相中脫離，導致復合材料磨損量增大，從而限制了它的實際應用。因此，迫切需要開發(fā)一種優(yōu)化填料與基體之間界面結合強度的簡便策略，以提高復合材料的耐磨性能。


  耐磨自潤滑樹脂基復合材料組分中同時包括多種硬質(zhì)增強相和固體潤滑相，各組分的表面結構各不相同且界面相互作用復雜，單一偶聯(lián)劑的使用難以滿足界面改性的需求。因此，合適的偶聯(lián)劑種類、含量及其之間的協(xié)同作用對復合材料的界面性能和摩擦性能至關重要。



  近日，大連理工大學蹇錫高院士團隊以硅烷偶聯(lián)劑、鈦酸酯偶聯(lián)劑、鋁酸酯偶聯(lián)劑復配對耐磨自潤滑填料實現(xiàn)一步法界面改性，并通過模壓成型制備出磨損性能優(yōu)異的PPESK復合材料。利用RSM的“Box-Behnken Design”分析偶聯(lián)劑種類、含量及其相互作用對PPESK復合材料磨損系數(shù)的影響，并得出最佳改性策略。通過XPS、XRD譜圖表征偶聯(lián)劑的改性情況，并對復合材料的摩擦性能、熱性能和力學性能進行評價。利用掃描電子顯微鏡(SEM)和三維表面測量系統(tǒng)(3D)對磨損表面進行觀察，分析復合材料的潤滑機理。在此基礎上，制備了樹脂基復合材料航空發(fā)動機燃油泵高速止推軸承，并研究了其在3號噴氣燃料環(huán)境中的摩擦性能和介質(zhì)耐受性能。該工作以“A novel interfacial modification strategy to improve the wear resistance of PPESK composites”為題發(fā)表在《Composites Part A: Applied Science and Manufacturing》，第一作者為大連理工大學化工學院的博士研究生鮑慶光，通訊作者為李楠高級工程師。相關研究工作得到國家自然科學基金（52203081）等資助。 


圖1 本工作的設計思路圖


  通過偶聯(lián)劑復配實現(xiàn)對多種填料的一步改性，基于RSM實驗設計與模型分析成功建立了偶聯(lián)劑含量與復合材料磨損率之間的關聯(lián)模型，并得出最佳偶聯(lián)劑改性策略，KH550/TCA201/HYA1的質(zhì)量分數(shù)為4.62%/2.86%/1%。 


圖2 磨損率（ω）模型的響應面分析


  填料的改性效果通過XPS、XRD進行驗證，改性后的PPESK復合材料表現(xiàn)出優(yōu)異的熱性能、力學性能和摩擦性能，T5wt%為517.6℃，導熱系數(shù)為0.551 W/(m·K)，洛氏硬度為118HRR，磨損率為0.72×10-15m3/Nm，這得益于偶聯(lián)劑改性后使得基體與填料之間的界面結合強度提高。 


圖3 耐磨自潤滑填料的XPS、XRD譜圖 


圖4 PPESK復合材料的熱性能、力學性能和摩擦性能 


圖5 PPESK復合材料的磨損表面分析


  此外，作者以PPESK復合材料為基礎制備了航空發(fā)動機燃油泵高速止推軸承，這種軸承表現(xiàn)出優(yōu)異的輕量化優(yōu)勢，在3號噴氣燃料中展現(xiàn)出良好的使役性能，摩擦系數(shù)為0.079，磨損率為5.2×10-16m3/Nm，潤濕接觸角為19.5°，且浸泡90天后的溶脹度低于0.5%。 


圖6 PPESK復合材料止推軸承的使役性能


  該工作通過RSM設計多種偶聯(lián)劑協(xié)同改性填料界面性能，為多相材料體系界面改性提供了一種新的簡便策略，制備的PPESK復合材料在航空發(fā)動機軸承領域顯示出巨大的應用前景。


  原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.compositesa.2023.107966

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（責任編輯：xu）
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