钢背/碳织物增强复合材料界面结合机理与强化研究
重载摩擦副是成型装备关键部件之一，摩擦副的机械性能将直接影响成型设备的性能，金属基背衬型聚合物自润滑复合材料是一种新型高性能的摩擦副材料，由于其机械性能优越、无污染、成型工艺简单、生产成本低等优点，成为新型重载摩擦副材料发展趋势之一。
本文在制备钢背/碳织物增强-聚合物衬层复合材料摩擦副基础上，以强化金属/聚合物、碳纤维/聚合物界面结合性能为目标，通过研究金属表面预处理、碳纤维织物(CF)表面预处理工艺和方法，依据微观分析和机械性能检测，探讨了不同表面处理方法对两大界面机械性能的影响及其机理，以期获得符合重载摩擦副技术要求的最优界面处理方法和工艺。主要研究内容和结果如下:
首先，研究了金属表面机械和化学预处理（机械划痕、砂纸打磨、喷砂、酸洗、磷化、硅烷偶联剂处理）的工艺和方法，通过拉伸剪切实验研究了各种处理方法对金属/聚合物界面结合性能的影响，并依据表面粗糙度轮廓仪、超景深三维显微镜、SEM扫描电镜对金属表面形貌的观察，研究了不同预处理方法对界面粘结强度影响的机理。结果表明:机械划痕、砂纸打磨、喷砂，都可以粗化金属表面。当机械划痕形成沟槽过大时，易产生“充不满”现象，同砂纸打磨相比，喷砂处理表面增加了各向异性;酸洗处理得到了更清洁的活性表面且能形成的微孔结构，有利于化学键形成，磷化处理后金属表面形成了显微空隙和裂纹结构，增加了结合面积，经硅烷偶联剂处理后，金属表面形成“分子键桥”，使金属/聚合物界面主要以化学键形式连接，粘结强度最高为23.11MPa。
其次，研究了碳织物表面不同预处理（气相氧化、液相处理、偶联剂涂覆、双效处理）工艺和方法，利用层间剪切实验研究了以上处理方法对碳纤维/聚合物界面结合性能的影响，并依据SEM扫描电镜、AFM、化学元素(EA)、傅里叶红外、机械性能研究碳织物处理前后表面形貌、断面形貌、表面粗糙度、化学元素、表面官能团、机械性能的变化，得出以下结论:未处理CF的表面光滑，比表面积小，边缘缺少活性碳原子呈惰性，表面能低，机械性能较差;空气氧化处理以刻蚀作用为主，增加碳纤维表面粗糙度，但表面化学活性影响较小;液相氧化中最优氧化工艺为浓硝酸95℃/90min，浓硝酸处理碳纤维织物时，机械锚定作用对复合材料的界面粘结起主导作用，增加活性化学元素起辅助作用;常温下不同浓度硅烷偶联剂处理，偶联剂KH560浓度为3％时IFSS达到43.2MPa，弯曲强度为1088.9MPa、拉伸强度为538.1MPa、冲击强度为72.2KJ·M-2、压缩强度为551.3MPa，偶联剂为双性分子，能同时与碳纤维、聚合物发生反应形成化学键;双效处理能有效弥补气相氧化、液相氧化对碳纤维的损伤，但综合机械的测试结果分析可得，最优碳纤维织物界面处理方法为溶度为3％偶联剂KH560处理。
碳织物;复合材料;金属基体;界面处理;机械性能
广东工业大学
硕士
材料加工工程
张鹏
2013
中文
TB333
74
2013-10-08（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）