特殊环境下聚合物自润滑复合材料的损伤机理及摩擦学行为研究

With the rapid development of the aerospace, lunar exploration, high-tech weaponry and other areas of the moving parts, the solid lubrication plays an important role on reducing friction and wear. Self-lubricating polymer composites acquired higher requirements, especially in equipment operating under special environments, such as change between high and low temperature, space ion irradiation and the combined effects. Currently, the research on the tribological properties of the self-lubricating polymer composites is inadequate under a variety of special environments. This project is intended for high-performance self-lubricating polymer composites for these special environments. Firstly, polyimide based self-lubricating composites were prepared. Then, the friction and wear behavior of polyimide composites were investigated under different temperature, change between high and low temperature, space ion irradiation and the combined effect to reveal the damage mechanism and wear mechanism. The special environmental impact on the tribological behavior of the polyimide composites was established and theoretical basis of designing polyimide composites was proposed. The project will make theoretical exploration and data accumulation to prepare high performance self-lubricating polymer composites used under special environments, and to expand the field of application of self-lubricating polymer composites.

随着航空航天、月球探测、武器装备等高技术领域的快速发展，对各运动部件固体润滑材料的需求日益增多，尤其是在特殊环境下运行的设备对聚合物自润滑复合材料提出了更高的要求，如高低温交变、空间离子辐照以及耦合作用等特殊环境。目前，多种环境耦合作用下聚合物自润滑复合材料摩擦学性能的研究缺乏，本项目拟研究用于这些特殊环境下的高性能聚合物自润滑复合材料，首先以聚酰亚胺为基体制备高性能聚合物自润滑复合材料，通过考察不同温度、高低温交变、空间离子辐照以及耦合作用下聚酰亚胺复合材料的摩擦磨损行为，研究特殊环境对聚酰亚胺复合材料的损伤机理和摩擦磨损机理，建立特殊环境对聚酰亚胺复合材料摩擦学行为的影响规律，提出设计聚酰亚胺复合材料的理论依据，为制备特殊环境下使用的高性能聚合物自润滑复合材料进行理论探索和数据积累，拓展聚合物自润滑复合材料的应用领域。

该项目针对航空航天、探月工程、武器装备、精密仪器等高技术领域对高性能聚合物复合材料的特殊需求，开展了特殊环境对聚酰亚胺复合材料的损伤机理与摩擦磨损性能研究。首先，本项目利用纤维增强、固体润滑剂改性和纳米颗粒填充设计并制备了一系列不同性能的聚酰亚胺复合材料，系统考察了碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维和氧化铝纤维对其摩擦磨损性能的影响，对比了石墨、二硫化钼、聚四氟乙烯三种典型的固体润滑剂对聚酰亚胺复合材料抗辐照性能和摩擦磨损性能的影响，针对抗原子氧辐照性能，设计了氧化硅、氧化钛和氧化铝三种纳米颗粒对聚酰亚胺抗辐照性能和摩擦磨损机理的系统研究。研究结果表明，无论是有机纤维还是无机纤维，均能不同程度地提高聚酰亚胺的机械性能，从而能够提高其摩擦学性能，尤其是无机纤维具有良好的抗承载能力。对于提高聚酰亚胺耐磨损性能而言，添加固体润滑剂是最佳的选择，但是在原子氧辐照环境下，石墨将会氧化成二氧化碳、二硫化钼氧化成三氧化钼、聚四氟乙烯被氧化降解从而产生润滑失效，反而添加纳米氧化物后产生的氧化层能够保护基体免遭原子氧的进一步氧化侵蚀，而质子辐照能够导致聚合物表面碳化，反而有助于提高复合材料的抗磨损性能，但是原子氧和质子组合辐照后，原子氧对聚酰亚胺复合材料的氧化侵蚀仍占主要作用。除了空间原子氧和质子辐照对聚合物复合材料具有较大的影响以外，高温环境将导致聚酰亚胺复合材料的机械强度下降，尤其在100℃后其磨损率急剧上升，但填充一定比例的纤维能够提高聚酰亚胺的抗高温磨损性能，研究发现，玻璃纤维增强聚酰亚胺复合材料的磨损率仅为纯聚酰亚胺的五分之一。该项目通过考察特殊环境下不同性能聚酰亚胺复合材料的摩擦磨损性能，揭示了特殊环境对聚酰亚胺复合材料的损伤机理和摩擦磨损机理，为设计特殊环境下高性能聚酰亚胺复合材料提供了理论依据，也为航空航天等高技术领域聚合物复合材料的应用提供数据积累和技术支持。