[發(fā)明專利]一種耐疲勞磨損復(fù)合材料及其制備方法和應(yīng)用

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202111111923.0
• 申請(qǐng)日: 2021-09-18
• 公開（公告）號(hào): CN113801432B
• 公開（公告）日: 2022-11-04
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 隋國鑫;林國明;張陽;馬娜;劉冬艷;孫兆松
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院金屬研究所
• 主分類號(hào): C08L61/16
• 分類號(hào): C08L61/16;C08K7/06;C08K7/08;C08K9/06;C08K9/10;C08K3/22;C08J5/06;C08J5/00
• 代理公司: 沈陽東大知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 21109
• 代理人: 李珉

一種耐疲勞磨損復(fù)合材料及其制備方法和應(yīng)用，屬于高分子復(fù)合材料領(lǐng)域，該復(fù)合材料的具體微觀結(jié)構(gòu)為微米級(jí)短纖維在基體中呈均勻分布；納米級(jí)顆粒在基體中呈現(xiàn)兩種不同的分布，一部分富集在微米級(jí)短纖維周圍，與微米級(jí)短纖維一同均勻分布在基體中，另一部分均勻分布在微米級(jí)短纖維之間的基體中，富集在微米級(jí)短纖維周圍的納米顆粒密集度大于分布在微米級(jí)短纖維間的密集度，在基體中呈局部密集分布。本發(fā)明的技術(shù)方案，可以使復(fù)合材料中的微米纖維和納米顆粒呈現(xiàn)出一種協(xié)同效應(yīng)，在滑動(dòng)摩擦中表現(xiàn)出優(yōu)異的耐疲勞磨損性能，有效提高諸如動(dòng)態(tài)密封等需要長效服役的滑動(dòng)摩擦產(chǎn)品的使用壽命。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于高分子復(fù)合材料領(lǐng)域，具體涉及一種耐疲勞磨損復(fù)合材料及其制備方法和應(yīng)用。

背景技術(shù)

無機(jī)填料作為分散相以獨(dú)立的形態(tài)分布于整個(gè)基質(zhì)相中，可以賦予復(fù)合樹脂良好的物理機(jī)械性能，如耐磨性，并減少樹脂的聚合收縮，降低熱脹系數(shù)，某些填料還具有遮色和X線阻射的作用。無機(jī)填料的種類、量和粒徑大小及表面處理等對(duì)復(fù)合樹脂的性能均產(chǎn)生很大的影響。其中碳纖維以其高強(qiáng)度和高模量等優(yōu)異性能成為一種重要的無機(jī)增強(qiáng)填料廣泛應(yīng)用于高分子復(fù)合材料。

碳纖維增強(qiáng)復(fù)合樹脂是由樹脂基質(zhì)和碳纖維增強(qiáng)物組成的高分子復(fù)合材料，具有低密度、高強(qiáng)度、高模量以及耐腐蝕的優(yōu)點(diǎn)。特別地，當(dāng)在滑動(dòng)摩擦的環(huán)境下，碳纖維復(fù)合材料具有優(yōu)異的耐磨性能。這歸因于碳纖維本身具有優(yōu)異的耐磨性能，在滑動(dòng)摩擦過程中碳纖維起到承擔(dān)主要載荷和耐磨骨架的作用。但是，由于碳纖維的彈性模量高達(dá)200GPa以上，而作為基體的高分子材料的彈性模量只有3.5GPa以下。由于巨大的彈性模量差異，在碳纖維復(fù)合材料承受載荷時(shí)其碳纖維與樹脂基體間的界面上就會(huì)存在很大的應(yīng)力集中。在長時(shí)間的滑動(dòng)摩擦過程中，碳纖維會(huì)遭受摩擦副表面突起的反復(fù)沖擊。當(dāng)纖維界面存在較大應(yīng)力時(shí)，反復(fù)的沖擊力會(huì)引起纖維的界面脫粘、松動(dòng)、破損和纖維脫落，造成嚴(yán)重的疲勞磨損。疲勞磨損是碳纖維復(fù)合材料摩擦磨損中的一種嚴(yán)重的破壞形式，嚴(yán)重影響復(fù)合材料的耐磨性能和使用壽命。

發(fā)明內(nèi)容

針對(duì)碳纖維復(fù)合材料這種疲勞磨損的問題，本發(fā)明提出一種耐疲勞磨損復(fù)合材料，并提供該復(fù)合材料的制備方法和應(yīng)用。該復(fù)合材料由微米級(jí)的短纖維和納米級(jí)顆粒共同填充樹脂基體組成。采用本發(fā)明提出的技術(shù)方案，可以使復(fù)合材料中的微米纖維和納米顆粒呈現(xiàn)出一種協(xié)同效應(yīng)，在滑動(dòng)摩擦中表現(xiàn)出優(yōu)異的耐疲勞磨損性能，有效提高一些諸如動(dòng)態(tài)密封等需要長效服役的滑動(dòng)摩擦產(chǎn)品的使用壽命。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

本發(fā)明以工程塑料為基體，以微米級(jí)短纖維為主增強(qiáng)體，以納米級(jí)顆粒為次增強(qiáng)體，形成一種微納增強(qiáng)體混雜增強(qiáng)的，且納米顆粒具有局部密集分布微觀結(jié)構(gòu)的耐疲勞磨損復(fù)合材料。通過纖維表面處理以及熔融共混工藝控制，使得制備的微納增強(qiáng)體混雜增強(qiáng)的復(fù)合材料具有特殊的納米顆粒局部密集分布的微觀結(jié)構(gòu)。

所述具有納米顆粒局部密集分布微觀結(jié)構(gòu)的耐疲勞磨損復(fù)合材料的具體微觀結(jié)構(gòu)示意圖如圖1和圖2所示，具體如下：

1)微米級(jí)短纖維在基體中呈均勻分布；

2)納米級(jí)顆粒在基體中呈現(xiàn)兩種不同的分布，一部分富集在微米級(jí)短纖維周圍，與微米級(jí)短纖維一同均勻分布在基體中，另一部分均勻分布在微米級(jí)短纖維之間的基體中，富集在微米級(jí)短纖維周圍的納米顆粒密集度大于分布在微米級(jí)短纖維間的密集度。

該微觀結(jié)構(gòu)在復(fù)合材料耐疲勞磨損上的作用主要是通過以下機(jī)理體現(xiàn)出來：

1)微米級(jí)短纖維作為主增強(qiáng)體在基體中呈現(xiàn)均勻分布，對(duì)復(fù)合材料基體起到主要增強(qiáng)作用，構(gòu)成復(fù)合材料的承載主體。在摩擦接觸表面，暴露突出的微米級(jí)短纖維構(gòu)成耐磨的主體，起到抵抗磨粒磨損的主要作用。