寬溫域環境下不同纖維織物/聚酰亞胺復合材料的摩擦學性能研究

周良，雷洋，余家欣，郭寶剛，齊慧敏,2

寬溫域環境下不同纖維織物/聚酰亞胺復合材料的摩擦學性能研究

周良1，雷洋1，余家欣1，郭寶剛1，齊慧敏1,2

（1.西南科技大學 制造科學與工程學院制造過程與測試技術教育部重點實驗室，四川 綿陽 621000；2. 中國科學院蘭州化學物理研究所 固體潤滑國家重點實驗室，蘭州 730000）

研究高溫條件下聚合物織物復合材料的摩擦學性能。分別制備碳纖維織物及芳綸纖維織物/聚酰亞胺復合材料及純聚酰亞胺（CF-PI、AF-PI及PI），對比研究2種織物復合材料與聚酰亞胺的熱力學性能，以及在25、50、100、150、200 ℃下的摩擦學性能。AF-PI的熱穩定性低于CF-PI，其中CF-PI熱失質量穩定在800 ℃左右，AF-PI的熱失質量穩定在700 ℃左右。同時，2種織物復合材料的拉伸強度均高于純PI，且CF-PI的拉伸強度要高于AF-PI。斷面形貌分析發現，CF-PI為脆性斷裂，AF-PI為韌性斷裂。摩擦實驗結果表明，25 ℃時，AF-PI的摩擦系數和磨損率較低，更適用于室溫環境，而CF-PI在200 ℃時具有較好的耐磨性，其磨損率為1.48′10–4mm3/(N×m)。轉移膜結構和化學狀態分析證實，由于CF-PI與GCr15之間較強的界面作用，室溫條件下對摩后，軸承鋼表面更易發生摩擦氧化。高溫條件下，由于金屬–有機螯合物的形成，提高了轉移膜的結構穩定性，CF-PI表現出優異的摩擦學性能，然而200 ℃時，由于AF-PI的力學性能降低，材料被磨穿，轉移膜的結構被破壞，導致了金屬之間的摩擦，發生了嚴重的摩擦氧化。

纖維織物；聚酰亞胺復合材料；摩擦學性能；轉移膜；高溫

近年來，聚合物及其復合材料由于其比強度高、自潤滑性能好、耐磨性能優異等，在機械工程、軌道交通、航空航天等領域得到了廣泛應用[1-5]。然而，由于純聚合物機械強度差、磨損率高、可靠性低等，阻礙了其在苛刻環境下的應用。研究表明，織物聚合物復合材料能夠大幅度提高聚合物材料的力學性能和服役壽命，且能夠與金屬和非金屬基體具有較好的粘結性，可用作襯墊材料、結構材料等，因此在摩擦學領域受到廣泛關注[6-12]。

據報道，纖維織物/聚合物復合材料的摩擦學性能與復合材料組成、工況條件以及環境因素等密切相關[13-15]。Bijwe等[16]發現，不同體積分數的碳纖維織物與聚醚酰亞胺復合材料的摩擦學行為差別較大，當織物的體積分數為65%時，復合材料具有最低的摩擦系數和磨損率。Yan等[17]考察了水潤滑條件下，超高分子量聚乙烯（UHMWPE）填充玻璃纖維織物增強酚醛樹脂復合材料的摩擦學性能，證明UHMWPE可吸收和釋放摩擦能，使得摩擦接觸方式由剛性到柔性自由轉換，實現織物復合材料在水潤滑工況下的摩擦適應性。Zhang等[18]制備了氮化硼納米片和羧基化碳納米管（BN1?xC）填充Nomex/PTFE織物復合材料，發現當BN0.5C0.5的質量分數為1%時，織物復合材料的摩擦系數和磨損率較低。Bandaru等[19]研究了雜化對聚四氟乙烯（PTFE）玻璃纖維復合材料層間剪切性能和磨粒磨損性能的影響，結果表明，雜化后復合材料均表現出較好的磨損性能。

綜上所述，基于纖維織物復合材料摩擦學性能的研究已經取得了較大進展，但大都在干摩擦及潤滑條件下，很少有關于其在高溫環境中的相關報道。因此，開展纖維織物復合材料在高溫環境中摩擦學性能的研究，對于開發耐極端環境織物復合材料具有重要指導意義。本論文采用兩步法，以4.4′–二氨基二苯醚（ODA）和3.3′–4.4′聯苯四甲酸（BPDA）為單體，制備聚酰亞胺浸漬碳纖維織物（CF-PI）和芳綸織物（AF-PI）復合材料及純聚酰亞胺（PI），對比考察幾種材料的熱力學性能。同時，利用高/低溫、真空摩擦磨損試驗機研究了材料的摩擦學性能，并探究了其磨損機理及轉移膜的形成機制，為極端條件下織物復合材料的設計提供了技術基礎。

1 試驗

1.1 材料及制備

碳纖維織物（CF）購于浙江蒙泰材料科技有限公司；芳綸織物（AF）購于宜興市杰創碳纖維制品有限公司；N–甲基吡咯烷酮（NMP）購于成都市科隆化學品有限公司；4.4′–二氨基二苯醚（ODA）和3.3′，4.4′–聯苯四甲酸二酐（BPDA）購于上海阿拉丁生化科技股份有限公司。

采用兩步法制備聚酰亞胺浸漬纖維織物復合材料，合成示意圖如圖1所示（以浸漬碳纖維為例）。首先，向50 mL三口燒瓶中加入25.0 mL N–甲基吡咯烷酮，并稱取1.800 0 g ODA加入上述溶劑中，超聲10 min至ODA完全溶解，然后將2.640 0 g BPDA加入混合溶劑中，氮氣和冰浴條件下攪拌反應24 h取出，得到固含量為15%的聚酰胺酸（PAA）黏稠溶液。將得到的PAA溶液均勻涂抹于軸承鋼表面織物上（纖維織物的質量分數控制在60%），并置于80 ℃恒溫加熱臺上處理6 h，使溶劑全部蒸發。之后放入管式爐中，于100、200、250、280 ℃下分別保溫1 h，使得PAA亞胺化為PI，進而得到聚酰亞胺浸漬的碳纖維復合材料。聚酰亞胺浸漬芳綸纖維織物按照同樣的制備方法得到。

圖1 CF-PI復合材料合成示意圖

1.2 測試與表征

1）采用傅里葉變換紅外光譜儀（FT-IR，Nicole8700）及掃描電子顯微鏡（SEM，JSM-7610）對樣品的結構和形貌進行表征。

2）采用熱重分析儀（TGAQ500）測定樣品的熱穩定性，N2氣氛，從室溫升到800 ℃，升溫速率為10 ℃/min。

3）采用萬能試驗機（WDW-100）對樣品進行力學性能測試，拉伸速度為0.5 mm/min，拉斷停止，每種材料至少重復3～5次。

4）采用高/低溫、真空摩擦磨損試驗機（MDZ-1GL）對所制備的聚酰亞胺浸漬纖維織物復合材料進行摩擦學性能研究。摩擦副為球–盤接觸，上試樣為6.0 mm的軸承鋼球（GCr15），下試盤為32.0 mm×10.0 mm的織物表面。分別考察其在25、50、100、150、200 ℃條件下的摩擦學性能，加載力為50.0 N，轉速為200 r/min，摩擦滑動時間為1.0 h。摩擦系數通過設備自帶系統進行記錄，磨損率通過測量磨痕寬度，并按照公式（1）計算。為了探究摩擦機理，利用SEM及X射線光電子能譜（XPS，PHI-5702）對GCr15球的表面進行形貌和表征分析。

式中：為對偶鋼球半徑；為磨痕寬度；為旋轉直徑；為磨損率；為載荷；為滑動距離。

2 結果與討論

2.1 結構分析

CF-PI、AF-PI及純PI的紅外光譜如圖2所示。可以看出，2種復合材料與純PI吸收峰大致相同，1776、1719 cm–1出現了C=O的不對稱伸縮振動峰和對稱伸縮振動峰，證明了熱亞胺化已經發生[20]。此外，在1376 cm–1出現了C—N的伸縮振動，在1116、720 cm–1出現了亞胺環的變形振動譜帶[21]，證明成功制備了聚酰亞胺復合材料[22]。

圖2 CF-PI和AF-PI復合材料的紅外光譜圖

2.2 熱力學性能分析

優良的熱穩定性及力學性能對聚酰亞胺浸漬纖維織物復合材料在苛刻環境中的應用至關重要。纖維織物復合材料及純聚酰亞胺熱失質量曲線如圖3a所示。結合表1可知，當熱質量損失為5%時，CF-PI、AF-PI及PI的溫度分別對應608、500、550 ℃。當加熱至700 ℃時，CF-PI的殘余質量維持在89%左右，而AF-PI的熱失質量穩定在800 ℃附近，其殘余質量大約為47%。因此，聚酰亞胺浸漬碳纖維織物的熱穩定性高于聚酰亞胺浸漬芳綸纖維織物。

表1 CF-PI、AF-PI和PI的熱穩定性

為了考察材料的力學性能，利用萬能試驗機測定了其在室溫下的拉伸性能。首先，按照GB/T 1040.1—2006將樣品裁成啞鈴形（圖3b插圖）。拉伸之前，測量樣品的厚度。圖3b給出了這2種材料及純PI的應力應變曲線，可以看出，CF-PI、AF-PI及PI的拉伸強度分別為440.3、430.1、114.8 MPa，碳纖維織物復合材料的拉伸強度略高于芳綸織物復合材料，均遠大于純PI復合材料的拉伸強度。從應力應變曲線的斜率大小可以判斷3種材料彈性模量的順序為：CF-PI> AF-PI>PI。此外，3種材料的斷裂伸長率區別較大，CF-PI、AF-PI、PI的斷裂伸長率分別為0.95%、2.15%、4.68%。結果表明，纖維織物浸漬聚酰亞胺后的塑性遠小于純PI。從應力應變曲線分析可知，純聚酰亞胺經歷了彈性–均勻塑性變形階段，屬于典型的非晶體聚合物材料的應力應變曲線[23]。CF-PI和AF-PI基本只有純彈性變形階段，超過其屈服強度之后繼續加載，材料被破壞，因此這2種材料屬于脆性材料，且CF-PI的脆性要高于AF-PI[24]。通過拉伸斷面的SEM形貌可以看出，CF-PI纖維織物斷裂比較整齊，以脆性斷裂為主（見圖4a）。相對來說，AF-PI的斷裂面參差不齊，出現了輕微的塑性變形，基本也是脆性斷裂占主導（見圖4b）。純PI拉伸斷裂后，其表面有黏性流動的趨勢，且存在塑性變形產生的顯微孔穴，表面相對粗糙[25]。綜上所述，可認為碳纖維的抗剪強度低，彈性模量高，易折斷，伸長率小，其破壞過程是脆性破壞；芳綸的彈性模量相對較低，有一定的塑性，但脆性斷裂占主導；對于純聚酰亞胺，在塑性變形過程中產生了部分韌窩，主要為韌性斷裂[26]。

2.3 摩擦學性能分析

為了研究聚酰亞胺浸漬2種纖維織物復合材料在不同溫度下的摩擦學性能，考察了其在室溫～200 ℃的摩擦學行為，并以純PI進行對照。由圖5a可以看出，2種材料的摩擦學性能有所差別。在室溫～150 ℃時，CF-PI的摩擦系數大于AF-PI的摩擦系數。在200 ℃時，AF-PI的摩擦系數大于CF-PI。對于CF-PI，50 ℃時的摩擦系數最大達到0.35，200 ℃時最小為0.17。AF-PI在25 ℃時的摩擦系數最小為0.11，150～200 ℃時，摩擦系數從0.17突然增加到0.4。這是由于200 ℃時，芳綸織物復合材料被磨穿，發生了對偶球和軸承鋼基體之間的摩擦。對照組中，純PI的摩擦系數隨溫度的變化而變化并不明顯，在室溫～200 ℃，其摩擦系數在0.1～0.2波動，在50 ℃摩擦系數最小為0.1，在200 ℃摩擦系數最大為0.19。對比2種織物復合材料可以發現，純PI的摩擦系數在高溫條件下基本小于2種織物復合材料，可能是由于高溫下聚酰亞胺起到了動壓潤滑的效果。圖5b給出了3種材料在25、200 ℃下摩擦系數隨時間的變化曲線，可以看出，在室溫時，CF-PI和純PI經過200 s的跑和階段逐漸進入穩定階段，而AF-PI的摩擦系數曲線在摩擦起始階段就進入了穩定期。200 ℃時，2種材料的跑和時間都有增加，CF-PI經過1 400 s的跑和階段摩，擦系數趨于穩定，而AF-PI的摩擦系數在1 200～2 400 s逐漸升高，推測該階段復合材料被磨穿。對于純PI，在200 ℃時，跑和過程不穩定，其摩擦系數在摩擦過程中一直增加，這可能是由于200 ℃時純PI受熱軟化。

圖3 CF-PI、AF-PI及PI的熱失質量曲線和應力應變曲線

圖4 CF-PI、AF-PI、PI的拉伸斷面形貌

圖5 CF-PI、AF-PI及PI的平均摩擦系數和25、200 ℃摩擦系數隨時間的變化趨勢以及(c)平均磨損率

3種材料的磨損率如圖5c所示，可以看出，CF-PI的磨損率在100 ℃時達到最大，為6.41′10–4mm3/(N×m)，200 ℃時最小為1.48′10–4mm3/(N×m)；而AF-PI在25 ℃磨損率最小為4.39′10–4mm3/(N×m)，在200 ℃時磨損率達到了9.8′10–4mm3/(N×m)，這是由于在該溫度下材料被磨穿；純PI在室溫～200 ℃各溫度下均具有較小的磨損率，在150 ℃時磨損率最小為1.32′10–5mm3/(N×m)，這可能是由于純PI在摩擦過程中更容易形成完整且穩定的轉移膜。3種材料的磨損照片及光鏡形貌如圖6和圖7所示。從圖6可以看出，CF-PI及AF-PI的磨斑寬度明顯大于純PI。AF-PI由于具有較好的韌性，磨痕周圍有較多毛刺，其磨痕寬度明顯大于CF-PI，且在200 ℃，AF-PI已被磨穿。從圖7的光鏡圖片中可以明顯看出，CF-PI在100 ℃時磨痕最寬（2 184 μm，見圖7c），此時材料磨損最嚴重，200 ℃磨痕最小（1 575 μm，見圖7e），對應的磨損率也是最小。當溫度大于100 ℃時，AF-PI織物已經有部分磨穿，磨痕寬度為2 193 μm，（見圖7c1）。200 ℃時，對偶球接觸的金屬基底基本暴露出來，此時AF-PI的磨損最為嚴重（2 696 μm，見圖7e1）。純PI在25 ℃時磨痕較小（651 μm，見圖7a2），當溫度大于50 ℃，磨痕變寬（圖7b2—e2)。對比上述3種材料可以得出，純PI的耐磨性要優于其他2種復合材料，說明純聚酰亞胺在摩擦過程中更容易形成均勻的轉移膜。對比2種復合材料，CF-PI在高溫時的摩擦學性能較好，適合在工況惡劣的條件下使用，而AF-PI在高溫時耐磨性急劇下降，因此適用于較為溫和的工況條件。

圖6 不同溫度下CF-PI、AF-PI及PI的磨損照片

為了進一步探究材料的磨損機理，圖8給出了摩擦之后3種材料的磨痕形貌。由圖8a可以看出，CF-PI的磨損表面在室溫時出現部分磨屑，磨損表面較粗糙，此時材料的磨損形式表現為磨粒磨損和輕微的粘著磨損。這是由于摩擦熱誘發聚酰亞胺分子鏈發生運動，并在摩擦剪切力的作用下發生斷裂，產生了部分磨屑，導致磨粒磨損和粘著磨損[27]。隨著溫度的升高，聚合物分子鏈的運動加劇，由之前的鏈節運動發展為整條鏈段的運動，并伴隨聚合物的黏性流動，因此磨損面變得較為光滑（見圖8b），但是纖維織物出現了部分分離，排列不整齊[28]。100 ℃時，在摩擦熱及剪切力的作用下，纖維織物力學性能變差，出現纖維斷裂、脫落等情況（見圖8c），此時材料表現為嚴重的磨粒磨損，磨損最為嚴重。隨著溫度的進一步上升，聚合物分子鏈的運動更加劇烈，可以將纖維織物纏繞，摩擦界面應力削弱，磨損面變得光滑平整，且材料磨損程度較輕（見圖8d、e），此時材料表現為粘著磨損[29]。對于AF-PI的磨損形貌，在25 ℃時磨損面較為平整，存在少量磨屑（見圖8a1），主要由于芳綸織物的硬度和彈性模量要小于碳纖維織物，摩擦界面應力及溫度相對較弱，此時材料表現為粘著磨損和輕微的磨粒磨損。隨著溫度的上升，芳綸織物的力學性能下降，在摩擦剪切力的作用下，部分纖維斷裂，并出現磨屑（圖8b1），此時材料表現為粘著磨損和嚴重的磨粒磨損。當溫度升高至100、150 ℃時，織物材料在高溫且反復摩擦剪切的作用下，發生斷裂、脫落（見圖8c1、d1），材料表現為嚴重的疲勞磨損和磨粒磨損。在200 ℃時，由于復合材料的熱承載性能急劇下降，材料被磨穿而失效（見圖8e1）[30]。純PI在25 ℃時，磨損表面出現少量磨屑（見圖8a2），此時材料表現為輕微磨粒磨損和粘著磨損。當溫度大于50 ℃時，由于聚合物鏈的運動，使得摩擦表面發生了類流體潤滑的現象，而且此時并沒有纖維織物與金屬對偶之間的界面應力作用[29]，因此磨損表面相對光滑（見圖8b2—e2）。此時，材料主要表現為粘著磨損。

圖7 不同溫度下與GCr15對摩后CF-PI (a—e)、AF-PI (a1—e1) 及PI (a2—e2) 的光鏡磨損形貌

圖8 不同溫度下與GCr15對摩后CF-PI (a—e)、AF-PI (a1—e1) 及PI (a2—e2)的SEM磨損形貌

摩擦過程中形成的轉移膜對纖維增強聚合物復合材料的摩擦學行為有極其重要的影響。摩擦之后對偶球的掃描電鏡形貌如圖9所示。從圖9中可以看出，與CF-PI和AF-PI對摩之后，轉移膜的形貌區別較大。室溫～150 ℃，與CF-PI對摩后，轉移膜結構不均勻，且大部分金屬基體暴露于摩擦接觸區域，主要由于發生了摩擦氧化（見圖9a—d）[31]。原因在于碳纖維織物的強度和模量較高，摩擦界面相互作用較強，轉移的磨屑在摩擦剪切的作用下被刮擦去除，暴露的基體在摩擦熱及外界環境中被氧化。由于氧化物的產生使摩擦界面變得較為光滑，因此增加了摩擦副之間的粘附性能，導致摩擦系數相對較高[32]。對于AF-PI（見圖9a1—d1），由于復合材料與金屬對偶的相互作用未能刮擦除去轉移的磨屑，轉移膜基本覆蓋了整個摩擦接觸區，有效避免了摩擦表面的直接接觸，轉移膜起到了固體潤滑的作用，降低了摩擦界面剪切力，進而降低了系統的摩擦系數。然而在200 ℃環境中，與CF-PI對摩之后，對偶球表面轉移膜的形貌較均勻（見圖9e）；與AF-PI對摩后，由于織物復合材料被磨穿，發生了金屬與金屬的直接摩擦，對偶磨損比較明顯（見圖9e1）。原因在于芳綸織物復合材料在摩擦熱和高溫環境的作用下，力學性能急劇下降，很難支撐摩擦表面的相對運動，材料失效，金屬與金屬相對運動過程中發生了界面粘著現象，摩擦系數增加，磨損率急劇增加[33]，而碳纖維織物的強度和模量也有所下降，使得轉移的磨屑粘附在對偶表面，聚合物分子鏈的黏性流動使轉移膜的結構相對均勻，因此200 ℃時，CF-PI復合材料的摩擦系數和磨損率均相對較小。對于純PI，由于界面用較弱，在25 ℃時對偶表面附著大量磨屑（見圖9a2），轉移膜較厚，摩擦系數相對較高。隨著溫度的升高，對偶球表面磨屑減少，轉移膜覆蓋得更加均勻（見圖9b2-e2），摩擦系數有所下降。基于轉移膜的形貌能夠判斷純聚酰亞胺的摩擦學性能要優于2種復合材料，室溫～150 ℃時，AF-PI的摩擦學性能優于CF-PI，而200 ℃時，CF-PI的摩擦學性能優于AF-PI。

圖9 不同溫度下與CF-PI (a—e)、AF-PI (a1—e1)及PI (a2—e2)對摩后GCr15的SEM表面形貌

為了研究轉移膜的表面化學狀態，采用XPS對GCr15表面進行表征。圖10給出了在25 ℃和200 ℃下2種織物材料CF-PI和AF-PI分別與GCr15對摩后金屬表面的XPS精細圖譜，并在表2中進行總結。從圖10a1—a4及表2可以看出，C1s在284.7、285.5、286.1、288.4 eV分別對應聚酰亞胺中的C—C、C—N、C—O和C=O的結合能譜，表明金屬對偶表面形成了聚合物轉移膜。通過對比C1s結合能的強度發現，200 ℃時，當AF-PI與GCr15對摩后，對偶表面含碳量最少。這是由于該條件下，聚合物織物被磨穿，導致金屬與金屬之間的直接接觸。此外，O1s中531.2、530.2 eV處的結合能與Fe2p中的710.9、725.1 eV對應轉移膜中的Fe2O3和Fe3O4，證明在摩擦過程中發生了摩擦氧化（見圖10b、c和表2）[31]。此外，結合圖10b1、b2、c1、c2可以發現，與CF-PI摩擦后，O1s在531.2、530.2 eV及Fe在710.9、725.1 eV的峰面積均大于與AF-PI摩擦后的峰面積，表明室溫條件下CF-PI與GCr15摩擦更容易發生摩擦氧化。上述現象可歸因于碳纖維和芳綸纖維織物力學性能的差異導致摩擦界面相互作用的不同，因此發生了不同程度的摩擦氧化。對于芳綸材料體系，界面相互作用較弱，滑動過程中的摩擦化學反應很難發生，而對于碳纖維材料體系，由于界面閃溫和應力集中，使得導致摩擦化學反應強烈[34]。在200 ℃時，從O1s和Fe2p對應峰面積大小與室溫條件下對比是相反的（見圖10b3、b4）。這是由于200 ℃時AF-PI與GCr15對摩時，織物復合材料被磨穿，材料失效，金屬與金屬之間的摩擦導致氧化現象更嚴重。此外，O1s中的531.7、532.4 eV與Fe2p圖譜中712.6 eV結合能代表金屬有機化合物Fe(CO)，這是由摩擦過程中聚合物分子發生斷裂與金屬對偶螯合反應得到的。該化學物提高了轉移膜與對偶間的結合，使轉移膜的結構更加穩定[31]。

圖10 GCr15表面生成轉移膜的XPS精細圖譜(1和2分別代表25 ℃與CF-PI和AF-PI對摩， 3和4分別代表200 ℃與CF-PI和AF-PI對摩)

表2 典型元素結合能

3 結論

通過聚酰胺酸浸漬碳纖維及芳綸纖維織物制備了聚酰亞胺復合材料，對比研究了材料的熱力學性能，重點考察了其在高溫條件下的摩擦學性能，探究了復合材料的磨損機理及轉移膜形成機制。主要結論如下：

1）CF-PI的熱力學性能優于AF-PI，其中，CF-PI熱失質量穩定在800 ℃，而AF-PI的熱失質量穩定在700 ℃左右。

2）由于碳纖維織物和芳綸纖維織物力學性能的差異，AF-PI在室溫下的摩擦學性能較好，而CF-PI在200 ℃具有優異的耐磨性。

3）轉移膜的結構表明，室溫～150 ℃時，與AF-PI對摩后，GCr15表面轉移膜的結構較均勻；200 ℃時，由于AF-PI被磨穿，發生了金屬–金屬之間的摩擦，對偶氧化比較嚴重。CF-PI與GCr15對摩后，較強的界面作用刮擦去除了大部分磨屑，轉移膜的形成以摩擦氧化為主。200 ℃時，CF-PI力學性能降低，界面作用減弱，形成了聚合物基轉移膜。

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Tribological Properties of Polyimide Composites Filled with Different Fiber Fabrics in a Wide Temperature Range

1,1,1,1,1,2

(1. Key Laboratory of Manufacturing Process and Testing Technology Ministry of Education, School of Manufacturing Science and Engineering, Southwest University of Science and Technology, Sichuan Mianyang 621000, China; 2. State Key Laboratory of Solid Lubrication, Lanzhou Institute of Chemical Physics, Chinese Academy of Sciences, Lanzhou 730000, China)

Polymer fabric composites are reinforced with fiber fabric with polymer as matrix. Compared with pure polymers, fabric composites can greatly improve the mechanical properties and service life of the materials. However, researches on the tribological properties of polymer fabric composites mostly focus on dry friction and lubrication, and there are few reports on them in high temperature environment. Therefore, to study the tribological properties of polyimide composites at high temperature, carbon fiber fabric impregnated with polyimide (CF-PI), aramid fabric impregnated with polyimide (AF-PI) and pure polyimide (PI) were prepared by a two-step method with 4.4'-diaminodiphenyl ether (ODA) and 3.3'-4.4'- biphenyltetracarboxylic acid (BPDA) as monomers. The tribological properties of these composites in a wide temperature range were investigated, and the wear mechanism and the formation mechanism of the tribofilm were discussed.

Firstly, the prepared polyamide acid (PAA) solution was evenly coated on the fabric surface (the mass fraction of fiber fabric was controlled at 60%), and placed on a constant temperature heating table at 80 ℃ for 6 hours to evaporate all the solvent. Then it was put into a tubular furnace and kept at 100, 200, 250 and 280 ℃ for 1 h respectively to make PAA imide into PI, subsequently the CF-PI and AF-PIcomposites were obtained (the prepared method of CF-PI was the same with that of AF-PI). The structures of the samples were characterized by Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FT-IR, Nicole 8700), the result of which confirmed that the materials were successfully prepared. Thermogravimetric Analyzer (TGAQ500) and Universal Testing Machine (WDW-100) were used to characterize the thermodynamic properties of the samples. The results showed that the thermal stability of CF-PI was better than that of AF-PI. The decomposition temperature of CF-PI steadied at about 800 ℃, and that of AF-PI was stable at about 700 ℃. The tensile strength of CF-PI and AF-PI was higher than that of PI owing to the reinforcing effect of fiber fabric. Nevertheless, the tensile strength of CF-PI was greater than that of AF-PI, probably because that the higher tensile strength of carbon fiber fabric than that of aramid fiber fabric.

The tribological properties of all the samples were studied at high/low temperature with vacuum tribology tester. The friction pair was ball-on-disk contact and the upper sample was ? 6.0 mm bearing steel ball (GCr15), the lower test plate was ? 32.0 mm×10.0 mm fabric surface. The tribological properties of the materials at 25, 50, 100, 150 and 200 ℃ were investigated, respectively. The loading force was set as 50.0 N, the rotating speed was 200 r/min and the sliding time lasted for 1.0 h. Tribological results showed that the AF-PI displayed the lowest friction coefficient and wear rate at 25 ℃, so it is more suitable to be used at room temperature. CF-PI exhibited excellent wear resistance at 200 ℃. The wear rate was 1.48′10－4mm3/(N×m). The structure and chemical state of the tribofilm showed that the steel counterpart was apt to oxidize during the sliding process at room temperature due to the strong interfacial interaction between CF-PI and GCr15. At high temperature, the formation of a metal-organic chelate on the counterpart enhanced the robustness of the tribofilm, which endowed CF-PI with excellent tribological properties. Regarding AF-PI, the decreased mechanical performance at 200 ℃ caused the direct sliding between metals, which destroyed the tribofilm structure and accelerated tribo-oxidation.

fiber fabric; polyimide composite; tribological performance; tribofilm; high temperature

TH117

A

1001-3660(2022)12-0091-10

10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.12.008

2021–10–22；

2022–06–06

2021-10-22；

2022-06-06

國家自然科學基金（52105214）；清華大學摩擦學國家重點實驗室開放課題（SKLTKF19B15）

The National Nature Science Foundation of China (52105214); The Tribology Science Fund of State Key Laboratory of Tribology (SKLTKF19B15)

周良（1996—），男，碩士研究生，主要研究方向為聚合物自潤滑復合材料。

ZHOU Liang (1996-)，Male, Postgraduate, Research focus: polymer self-lubricating composites.

齊慧敏（1988—），女，博士，副教授，主要研究方向為聚合物自潤滑復合材料。

QI Hui-min (1988-), Female, Doctor, Associate professor, Research focus: polymer self-lubricating composites.

周良, 雷洋, 余家欣, 等.寬溫域環境下不同纖維織物/聚酰亞胺復合材料的摩擦學性能研究[J]. 表面技術, 2022, 51(12): 91-100.

ZHOU Liang, LEI Yang, YU Jia-xin, et al. Tribological Properties of Polyimide Composites Filled withDifferent Fiber Fabrics in a Wide Temperature Range[J]. Surface Technology, 2022, 51(12): 91-100.

責任編輯：劉世忠