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填充改性增强聚四氟乙烯复合材料的力学性能研究

作　者: 应伟斌
导　师: 程晓农；袁新华
学　校: 江苏大学
专　业: 材料学
关键词: 聚四氟乙烯填充改性偶联剂力学性能摩擦磨损原料配比
分类号: TB332
类　型: 硕士论文
年　份: 2006年
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内容摘要

聚四氟乙烯(PTFE)是一种热塑性塑料，有“塑料王”之称，具有高度的化学稳定性和优异的润滑性，是重要的防腐和减摩材料。但PTFE耐磨性和机械性能差，限制了其广泛应用。为改善其性能，通常采用填充改性、表面改性和共混改性对PTFE进行改性。本研究选用填充改性法，制备出玻璃纤维、碳纤维和石墨填充增强PTFE复合材料，分析了原料配比对PTFE复合材料性能的影响，探讨了增强机理，为扩大PTFE的应用提供理论依据。用偶联剂对碳纤维和玻璃纤维进行偶联改性，探索了偶联工艺，并通过摩擦磨损试验结果来观察偶联效果。结果表明：对玻璃纤维进行偶联处理，能显著提高复合材料耐磨性。碳纤维的偶联效果不如玻璃纤维显著。测试了PTFE及其复合材料的摩擦磨损性能，使用扫描电镜(SEM)对磨损表面形貌观察，探讨玻璃纤维、碳纤维和石墨填充增强PTFE复合材料的减摩耐磨机理，结果表明：玻璃纤维和碳纤维在基体中优先承受载荷，并能将摩擦面上压应力和剪应力传递到基体内部而不至于表面层应力集中，有效阻止了PTFE的大面积破坏，提高了耐磨性。但玻璃纤维和碳纤维会在磨损面富集，导致摩擦系数提高，并且在载荷的作用下纤维容易脱落，造成磨粒磨损。石墨可以在磨损表面形成润滑膜，降低摩擦系数，提高材料耐磨性。石墨的加入还可以减小纤维所受的摩擦力，降低纤维的脱落趋势，起到了润滑剂的作用。玻璃纤维和石墨协同增强复合材料，其摩擦系数与玻纤含量的关系与玻璃纤维单独增强复合材料相反，说明石墨与玻璃纤维产生了协同润滑效应。玻璃纤维、石墨和碳纤维协同增强PTFE复合材料的摩擦磨损性能更佳。通过拉伸试验、冲击试验、硬度测试、压缩试验、热机械弯曲变形和压缩变形综合测试了PTFE及其复合材料的力学性能和热机械性能，结果表明：玻璃纤维使压缩强度、硬度和热机械弯曲性能提高，但拉伸强度、冲击强度和热机械压缩性能下降，材料呈脆性；碳纤维使拉伸强度、压缩强度和硬度和热机械性能提高，但冲击强度下降，材料呈脆性；石墨能提高压缩强度和热机械性能，但硬度、拉伸强度和冲击强度下降；玻璃纤维、碳纤维和石墨协同填充增强PTFE复合材料，拉伸强度、压缩强度、硬度和热机械性能均得到提高，冲击强度有所下降，但仍属韧性材料。综合试验结果可知：玻璃纤维、碳纤维和石墨协同增强PTFE复合材料的摩擦磨损性能、综合力学性能和热机械性能较好。最优原料配比为：PTFE∶玻璃纤维∶碳纤维∶石墨=70∶20∶5∶5(质量比)。

全文目录

摘要  8-10
ABSTRACT  10-14
第1章绪论  14-32
  1.1 聚四氟乙烯的概述  14-17
    1.1.1 PTFE的组成和结构  14
    1.1.2 PTFE的物理、化学特性  14-16
    1.1.3 PTFE的应用现状  16-17
  1.2 PTFE改性的国内外研究现状  17-22
    1.2.1 PTFE表面改性  17-18
    1.2.2 PTFE共混改性  18-19
    1.2.3 PTFE填充改性  19-22
    1.2.4 讨论  22
  1.3 玻璃纤维和碳纤维增强PTFE复合材料的界面研究进展  22-26
    1.3.1 界面层的作用机理  22-23
    1.3.2 玻璃纤维的表面处理方法  23-25
    1.3.3 碳纤维的表面处理方法  25-26
  1.4 成型工艺  26-30
    1.4.1 PTFE的成型加工方法  27-28
    1.4.2 PTFE的成型工艺特性  28
    1.4.3 成型工艺的确定  28-30
  1.5 课题意义和内容  30-32
    1.5.1 研究意义  30-31
    1.5.2 研究内容  31-32
第2章试验部分  32-36
  2.1 主要原料  32
  2.2 仪器与设备  32-33
    2.2.1 实验仪器与设备  32
    2.2.2 分析仪器  32-33
  2.3 工艺过程  33
    2.3.1 玻璃纤维和碳纤维的偶联改性  33
    2.3.2 PTFE复合材料的制备  33
  2.4 分析测试  33-36
    2.4.1 摩擦磨损性能测试  34
    2.4.2 力学性能测试  34-35
    2.4.3 热机械性能分析  35
    2.4.4 表面形貌观察  35
    2.4.5 X-ray衍射测定结晶性能  35-36
第3章玻璃纤维和石墨填充增强PTFE复合材料  36-65
  3.1 玻璃纤维和石墨的概述  36-37
    3.1.1 玻璃纤维  36
    3.1.2 石墨  36-37
  3.2 玻璃纤维的偶联改性  37-39
    3.2.1 玻璃纤维的偶联机理  37-38
    3.2.2 玻璃纤维偶联工艺的确定  38-39
  3.4 玻璃纤维和石墨填充增强PTFE复合材料的性能测试  39-63
    3.4.1 摩擦磨损性能测试及磨损表面形貌SEM观察  39-50
    3.4.2 拉伸性能测试  50-54
    3.4.3 冲击性能测试  54-56
    3.4.4 冲击断面形貌SEM观察  56-57
    3.4.5 硬度测试  57
    3.4.6 热机械性能分析  57-63
  3.5 本章小结  63-65
第4章玻璃纤维、碳纤维和石墨填充增强 PTFE复合材料  65-86
  4.1 碳纤维的概述  65-66
  4.2 碳纤维的偶联改性  66-68
    4.2.1 钛酸酯偶联剂  66-67
    4.2.2 硅烷偶联剂  67-68
  4.3 碳纤维和石墨填充增强 PTFE复合材料的性能测试  68-78
    4.3.1 摩擦磨损性能测试  68-71
    4.3.2 磨损表面形貌SEM观察  71-72
    4.3.3 拉伸性能测试  72-73
    4.3.4 冲击性能测试  73
    4.3.5 冲击断面形貌SEM观察  73-74
    4.3.6 硬度测试  74-75
    4.3.7 热机械性能分析  75-78
  4.4 玻璃纤维、碳纤维和石墨填充增强 PTFE复合材料的性能测试  78-84
    4.4.1 摩擦磨损性能测试  78-79
    4.4.2 磨损表面形貌 SEM观察  79-80
    4.4.3 冲击性能测试  80
    4.4.4 拉伸性能测试  80-81
    4.4.5 压缩性能测试  81-83
    4.4.6 XRD测结晶性能  83-84
  4.5 性能比较  84-85
  4.6 本章小结  85-86
第5章结论与展望  86-88
致谢  88-89
参考文献  89-93
硕士期间发表文章  93

填充改性增强聚四氟乙烯复合材料的力学性能研究

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