六钛酸钾晶须/聚醚醚酮复合材料力学、摩擦学性能及界面结合机理研究

【摘要】获得集优良力学、摩擦学性能于一体的新型减摩耐磨材料一直是材料领域研究的热点。聚合物基复合材料因具有摩擦系数小、磨损率低、耐腐蚀、质量轻等优点,被认为是最具有应用前景的减摩耐磨材料之一。复合材料的综合性能主要取决于基体、增强相,以及基体与增强相之间的界面。因此,本文通过合理选用基体与增强相材料、优化制备工艺参数,并在探明复合材料界面结合机理的基础上优化界面设计,从而实现复合材料力学及摩擦学性能的有效调控。对于高性能减摩耐磨材料的研究开发具有极为重要的指导意义。基于此,本文以具有优良摩擦学性能、力学性能和化学性能的聚醚醚酮(PEEK)作为复合材料的基体材料。选择具有高强度、高热稳定性、高性价比的六钛酸钾晶须(PTW)作为复合材料的增强相,采用挤出和注塑成型方法制备了PTW/PEEK复合材料。系统研究了PTW增强相及其表面改性对复合材料力学性能、摩擦学性能的影响及规律。结合原子、电子尺度的第一性原理计算方法探讨了基体与增强相的微观界面结合行为,以期能构建起包含界面结合强度与复合材料力学及摩擦学性能在内的相关模型。考察了晶须及其表面处理对PTW/PEEK复合材料力学性能的影响。结果表明：当晶须未经表面处理时,相对于未填充PEEK,复合材料的冲击性能有所下降,拉伸性能改善不明显；而晶须经KH550表面处理后,复合材料的力学性能有不同程度的提高,且随着晶须含量的增加而上升。当晶须含量为15wt%时,复合材料的拉伸强度、弯曲强度、压缩强度和冲击强度相对于未增强PEEK分别提高了20.62%,20.45%,34.58%和73.68%。研究了PTW/PEEK复合材料的摩擦学性能。发现PTW的添加对复合材料的摩擦学性能具有改善效果,且晶须经偶联剂表面改性后,其改善效果尤为显著；当PTW的添加量为15wt%时,其摩擦系数和磨损量达到最低值,相对于未增强PEEK而言,两者分别降低了54%和68%；磨损表面形貌分析表明,适当含量晶须的添加,有助于PEEK基体抵抗犁削和磨粒磨损能力的增强,有效阻碍了基体与对偶件间粘着磨损的发生,从而提高了材料的耐磨性；在PTW/PEEK复合材料中添加一定量的聚四氟乙烯(PTFE),可进一步提高该复合材料的减摩性能。为探明PTW/PEEK复合材料的界面结合行为,采用第一性原理计算方法研究了PTW的微观晶体结构及其基本物性。发现K2Ti6O13晶体呈现一种由TiO6八面体通过共面和共棱连接的隧道状结构,且其具有很高的结构稳定性；电子结构分析发现,在K2Ti6O13内部,Ti-O间相互作用明显强于K-O,且Ti(d)和O(p)间较强的相互作用决定了该化合物的相结构稳定性；弹性性质计算表明,K2Ti6O13是一种高刚性脆性相,且其在剪切和压缩性能上具有较小的各向异性。在明确PTW基本物性基础上,采用第一性原理计算方法进一步考察了PTW/PEEK复合材料中的微观界面结合行为。结果表明：K2Ti6O13表面羟基的存在使硅醇在K2Ti6O13表面实现由物理吸附到化学吸附的转变,极大地增强了硅醇与K2Ti6O13的界面结合强度,提高了K2Ti6O13表面改性效果；电子结构分析表明：羟基之所以改善硅醇在K2Ti6O13表面的改性效果,主要归功于羟基与硅醇中的O(s)(p)轨道电子的作用；而PEEK与硅醇的结合是由PEEK链中的羰基与硅醇中的氨基通过亲核加成反应产生醇胺,随后生成亚胺的方式实现的。对界面结合状态对体系力学及摩擦学性能的影响机理进行了探索,基于力学理论分析,计算了界面剪切强度,很好地解释了界面强度对复合材料的力学性能的影响；借助摩擦能量理论,用表层材料断裂和疲劳断裂的分析,解释了界面强度对复合材料磨损性能的影响。建立了界面结合强度与复合材料力学性能和摩擦学性能的内在联系。本文研究结果将为高性能聚合物基减摩耐磨复合材料的界面设计及性能优化提供重要指导。
【作者】华熳煜；
【导师】李益民；
【作者基本信息】中南大学，材料科学与工程，2014，博士
【关键词】聚合物基复合材料；力学性能；摩擦学性能；界面结合机理；

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