聚醚醚酮/泡沫镍双连续复合材料的强韧机制及耐磨机理研究

High-speed bearing cages in aero-engine main shaft, which were usually made by traditional PEEK composites, are often surfer form impact and high-speed friction form other components, resulting in fatiguing and ultimately the failure. This is mainly due to the toughness and anisotropy of particle reinforced composites and fiber reinforced composites. To solve the above-mentioned problem, we have designed a type of new structure material called polyetheretherketone(PEEK)/nickel foam co-continuous composites to improve the isotropy and integrated mechanical properties of PEEK resin matrix composites. In this application, we use heated-die pressing process, which feed device has been optimized, in high temperature to prepare consistent PEEK/nickel foam co-continuous composites and change the degree of crystallinity of PEEK resin by controlling the time of crystallized. Study the toughening mechanism and wear behavior of PEEK/nickel foam co-continuous composites by combination of tests and numerical calculation. Clarify the mechanism of nickel foam and crystallinity of PEEK and relationship between structure and properties in composites has been discussed. This application can perfect the system of resin matrix composites while developing the material in aero-engine.

传统聚醚醚酮（以下简称PEEK）复合材料常作为航空发动机主轴高速滚动轴承的保持架，其在工作中有时会受到来自其他部件的冲击和高速摩擦，导致其最终失效，究其原因与颗粒或纤维增强复合材料的不均匀性或各向异性以及韧性密切相关。设计PEEK/泡沫镍双连续复合材料，提高PEEK复合材料的各相一致性和综合力学性能，是解决上述的问题的一种有效途径。因此，本申请拟采用高温模压法制备复合材料。通过实验和有限元分析相结合的方法研究PEEK/泡沫镍双连续复合材料的强韧机制及其摩擦磨损行为，阐述泡沫镍、PEEK结晶度的影响和复合材料的性构关系。本项目在完善树脂基复合材料体系的同时，还对于发展具有实用化前景的航空发动机相关材料具有积极意义。

树脂基复合材料的强韧性及其极端工况下的耐冲耐磨性能至关重要，直接决定匹配部件的使用性能和使用寿命。本研究以传统聚醚醚酮（以下简称PEEK）树脂为基体，采用高温模压的方法制备出了PEEK/泡沫镍双连续相复合材料。根据航空发动机主轴高速轴承保持架的使用工况，了解复合材料的力学及耐磨性能，掌握材料的断裂机制及磨损机理。通过改变泡沫材料增强相结构，以期有效提高材料的强韧性能。具体而言，本项目的研究主要分为五个部分：1）参考PEEK树脂的DSC曲线及高温条件下材料粘度，构建了PEEK/泡沫镍双连续相复合材料（简称复合材料）的高温模压制备工艺，经过工艺的不断优化，制备了一批复合材料试验样品；2）分别使用冲击试验机、电子拉伸试验设备对复合材料样品进行了室温冲击试验和拉伸试验，测试了复合材料的冲击韧性、拉伸强度、杨氏模量、断裂伸长率等指标，通过电子显微镜和体式光学显微镜对材料断裂表面的形貌进行了表征，对比分析了复合材料的断裂和增韧机制，试验结果表明：金属镍的加入能够改善PEEK树脂的冲击韧性和拉伸韧性，PEEK树脂中连续的金属镍能够有效的吸收变形以及断裂过程中的能量，最终达到增韧的目的；3）为了解增强相材料的结构对复合材料性能的影响，对比了八种具有不同泡沫镍结构复合材料的力学性能，阐述了复合材料的构型关系；4）在研究过程中，发现所制备的材料致密度稍有欠缺，材料部分位置处存在气孔等明显缺陷，为解决上述问题，研制了一台真空压力可控成型试验设备，进一步对制备工艺进行优化，大幅降低了复合材料的内部缺陷，使复合材料进一步工程应用成为可能；5）对比研究了复合材料的耐冲蚀性能，采用料浆冲蚀试验机对复合材料的冲蚀性能进行测试，利用三维轮廓仪、光学显微镜和电子显微镜对材料表面的损伤形貌进行表征，阐明了复合材料的冲刷磨损机制。通过上述研究，最终制备出了强韧性能优异的PEEK/泡沫镍双连续相复合材料，目前，该材料有望作为核电站泵房旋转滤网驱动部件材料得到应用。