大连理工大学蹇锡高院士团队：一种提高PPESK复合材料耐磨性的界面改性新策略

2024-01-05 来源：高分子科技

高速、重载、极端环境等苛刻条件下服役的高端装备传动或转动系统对耐高温、高耐磨、高强度树脂基自润滑复合材料需求迫切。杂萘联苯聚芳醚酮（PPESK）既耐高温又可溶解，是一种非常有潜力的高性能工程塑料，PPESK自润滑复合材料具有较优的摩擦性能。然而，树脂基复合材料为多相体系，不可避免的存在填料与基体相容性较差的问题。在摩擦过程中填料容易从基体相中脱离，导致复合材料磨损量增大，从而限制了它的实际应用。因此，迫切需要开发一种优化填料与基体之间界面结合强度的简便策略，以提高复合材料的耐磨性能。

耐磨自润滑树脂基复合材料组分中同时包括多种硬质增强相和固体润滑相，各组分的表面结构各不相同且界面相互作用复杂，单一偶联剂的使用难以满足界面改性的需求。因此，合适的偶联剂种类、含量及其之间的协同作用对复合材料的界面性能和摩擦性能至关重要。

近日，大连理工大学蹇锡高院士团队以硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂、铝酸酯偶联剂复配对耐磨自润滑填料实现一步法界面改性，并通过模压成型制备出磨损性能优异的PPESK复合材料。利用RSM的“Box-Behnken Design”分析偶联剂种类、含量及其相互作用对PPESK复合材料磨损系数的影响，并得出最佳改性策略。通过XPS、XRD谱图表征偶联剂的改性情况，并对复合材料的摩擦性能、热性能和力学性能进行评价。利用扫描电子显微镜(SEM)和三维表面测量系统(3D)对磨损表面进行观察，分析复合材料的润滑机理。在此基础上，制备了树脂基复合材料航空发动机燃油泵高速止推轴承，并研究了其在3号喷气燃料环境中的摩擦性能和介质耐受性能。该工作以“A novel interfacial modification strategy to improve the wear resistance of PPESK composites”为题发表在《Composites Part A: Applied Science and Manufacturing》，第一作者为大连理工大学化工学院的博士研究生鲍庆光，通讯作者为李楠高级工程师。相关研究工作得到国家自然科学基金（52203081）等资助。

图1 本工作的设计思路图

通过偶联剂复配实现对多种填料的一步改性，基于RSM实验设计与模型分析成功建立了偶联剂含量与复合材料磨损率之间的关联模型，并得出最佳偶联剂改性策略，KH550/TCA201/HYA1的质量分数为4.62%/2.86%/1%。

图2 磨损率（ω）模型的响应面分析

填料的改性效果通过XPS、XRD进行验证，改性后的PPESK复合材料表现出优异的热性能、力学性能和摩擦性能，T_5wt%为517.6℃，导热系数为0.551 W/(m·K)，洛氏硬度为118HRR，磨损率为0.72×10^-15m³/Nm，这得益于偶联剂改性后使得基体与填料之间的界面结合强度提高。

图3 耐磨自润滑填料的XPS、XRD谱图

图4 PPESK复合材料的热性能、力学性能和摩擦性能

图5 PPESK复合材料的磨损表面分析

此外，作者以PPESK复合材料为基础制备了航空发动机燃油泵高速止推轴承，这种轴承表现出优异的轻量化优势，在3号喷气燃料中展现出良好的使役性能，摩擦系数为0.079，磨损率为5.2×10^-¹⁶m³/Nm，润湿接触角为19.5°，且浸泡90天后的溶胀度低于0.5%。

图6 PPESK复合材料止推轴承的使役性能

该工作通过RSM设计多种偶联剂协同改性填料界面性能，为多相材料体系界面改性提供了一种新的简便策略，制备的PPESK复合材料在航空发动机轴承领域显示出巨大的应用前景。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.compositesa.2023.107966

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（责任编辑：xu）

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