基于摩擦温升预测的含氧杂环修饰硼化物纳米原位改性有机拼混树脂的摩擦学研究

Improving the tribological properties of organic resin at elevated temperature is in recent years the hot topics in the fundamental researches of polymer tribology. In this project, the organic blending epoxy resin is modified in-situ by nano-boride multiphase ceramics with high thermal conductivity, heat-resisting, wear-resisting and low cost to obtain a high performance organic resin friction materials to solve the problems of the premature failure resulted from a serious wear of polymer wearing parts due to the accumulation of friction heat under high speed or high load conditions. The project is studied by the numerical simulation and the tests methods. A prediction model of the friction temperature rise of modified resin is established and its changing law and influencing factors are analysed and the effects of the friction temperature rise on the tribological properties are investigated by the numerical simulation. Based on the calculation model, the nano-boride multiphase ceramics are introduced effectively into the organic blending resin by the surface chemical modification and in-situ polymerization methods to realize the high performance modification of the organic resin. The effects of the addition of boride nanoparticles on the friction temperature rise of the organic blending resin are researched in-depth scientifically, and then to study its influence on the tribological behavior and reveal high temperature abrasion resistance mechanism of modified resin. This research will put forward a new idea for the design of the polymer friction materials with high performances and the studies of tribological properties.

提高有机树脂高温摩擦学性能是近年来聚合物摩擦学基础研究的热点。本项目针对聚合物摩擦易损件在高速、高载荷条件下易产生剧烈温升，并因此产生严重磨损，从而导致其过早失效等问题，提出利用具有高导热耐热耐磨、低成本的硼化物纳米复相陶瓷对有机环氧拼混树脂进行原位改性，以期获得一种高性能、低成本有机树脂纳米杂化摩擦材料，解决上述问题。项目采用数值模拟仿真和试验相结合的方法，通过计算模拟，建立改性树脂摩擦温升的预测模型，分析摩擦温升的变化规律及其影响因素，探究摩擦温升对摩擦学性能的影响；基于计算模型，利用表面化学修饰及原位包裹分散聚合方法，将硼化物纳米复相陶瓷有效地引入到有机拚混树脂体系中，实现有机树脂的高性能化改性。深入系统地研究硼化物纳米复相陶瓷的加入对有机拚混树脂摩擦温升的影响，进而研究其对摩擦学特性的影响规律，揭示高温耐磨机制。本项目的完成为高性能聚合物摩擦材料的设计与摩擦学性能的研究提供新思路。

本项目采用有限元理论分析和实验相结合的方法，从摩擦热流导致温升预测的角度，开展硼化物无机填充有机环氧树脂复合材料摩擦学特性研究。项目首先从有限元理论建模入手，根据本项目实际体系的材料结构特点，建立了硼化物陶瓷填充环氧树脂复合材料有限元热导计算模型。通过模型对填充复合材料的热导性能进行了理论预测，获得了填料的种类、形状、大小、取向、分布及结合方式等因素与填充复合材料的热导性能之间的定量关系，为高热导材料设计提供理论支持。从热导的角度，构建摩擦生热的理论模型，预测填料不同组分、不同性质对摩擦温升的影响规律，获得了摩擦接触点最高温度的预测值，与实测值基本一致。依据摩擦温升理论预测，进行填料组分设计，开展了硼化物填料及其填充复合材料的优化制备与表征分析，揭示了硼化物陶瓷表面化学键合改性机理，确立了改性工艺。通过深度分析硼化物复相陶瓷的加入对基体树脂固化行为的影响，确立了硼化物陶瓷填充树脂基复合材料的原位制备工艺，为高摩擦学性能材料的制备奠定基础。系统开展了硼化物陶瓷原位填充环氧复合材料热性能的实验研究。通过激光脉冲测试（LFA）法对复合材料的热导率进行分析表明，硼化物陶瓷表面有机改性能显著提高环氧基体的热导性能，改性界面层能有效传递热流，对提高体系热导起关键作用。这与前期有限元热导的理论预测十分吻合。对填充复合材料耐热性能分析表明，硼化物陶瓷的添加，使环氧复合材料热分解温度显著提高。相比之下，复相陶瓷表面经有机改性后其填充环氧复合材料具有更高的耐热性能。对填充复合材料摩擦学性能开展系统实验研究，结果表明，硼化物复相陶瓷表面有机功能化可使其填充复合材料摩擦温升大幅度下降。填充复合材料摩擦系数与磨损率随硼化物含量上升而降低，尤其是复配硼化物陶瓷经有机改性后对复合材料体系的摩擦学性能的提升作用更加明显。填料含量为5 vol%复合体系达到摩擦学性能的最优化，呈现出高的减摩耐磨特征。