聚酰亚胺材料摩擦性能测定及过程温度场模拟

作     者：王筱 

作者单位：南京工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：黄培

授予年度：2005年

学科分类：08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：热塑性聚酰亚胺 复合材料 摩擦磨损 温度分布 有限元 数值模拟 

摘      要：摩擦学是研究相对运动中相互作用表面的设计、摩擦、磨损、润滑、损伤等方面的理论和实践的一门综合性科学,而摩擦是发生在材料相对运动表面的一种非常普遍的现象。在摩擦应用领域,要求材料有更好的摩擦磨损性能的同时,还要求其有很好的力学性能、耐高温性能和化学稳定性。聚酰亚胺(PI)是一类综合性能优异的工程塑料,同时还是一种理想的耐高温、自润滑的摩擦基体材料。在PI 中填充固体润滑剂及增强纤维,可进一步提高材料的摩擦磨损特性和力学性能。由于摩擦件的失效破坏大多与其材料的结构性能参数对温度高度依赖有关,而聚合物基复合材料导热性能差,存在较大温度梯度,容易破坏变形,并且对实际摩擦过程中摩擦件各点的温度进行测定比较困难。因此,建立模型,预测PI 复合材料在摩擦过程中的温度分布,是PI 复合材料构件失效分析的重要基础,并为深入了解磨损本质提供帮助。 本文针对一种新型热塑性聚酰亚胺(TPI)树脂,分别采用MoS、PTFE 和短切碳纤维(CF)对其进行改性。实验考察了TPI 纯树脂及其复合材料的摩擦磨损性能;根据实验结果,选取30wt%PTFE 填充TPI 滑动摩擦行为作为研究对象,利用有限元方法,模拟了TPI 复合材料在摩擦过程中的温度分布;在此基础上,实测碳纤维增强TPI 复合材料的摩擦温升,同时利用该模型预测试样表面及轴向和径向的温度分布,从而验证其准确性,考察其适用范围。 研究表明:TPI 纯树脂的摩擦系数约为0.27,具有优异的力学性能,随着二硫化钼加入,主要力学性能有所下降。在干摩擦条件下, MoS在磨损表面富集,起到润滑作用,有效降低了材料的摩擦系数;磨损表面出现不同程度的熔融现象,材料以粘着磨损为主,MoS 含量为10wt%时,磨损率最低,为1.14×10 m·N ·m。在水润滑条件下,纯TPI 磨损表面存在犁沟现象,加入MoS 填充后,其磨损表面较纯TPI 平整,仅出现裂纹,主要是疲劳磨损。由于水的冷却和润滑作用,材料耐磨性能提高了1 个数量级,表明其受温度影响显著。 通过实验发现:添加固体润滑剂PTFE 改性TPI,材料的摩擦磨损性能得以显著提高。30wt%PTFE-TPI 复合材料摩擦磨损性能最优,其对钢的干摩擦系数和体积磨损率同时达到最小值,分别为0.075 和2.21×10 m·N·m。因此选取其为研究对象,根据能量转换及守恒定律,建立模型,利用MATLAB 的PDE