摩擦磨损及改性(川大《JMST》：一种简便改性方法同时提高复合材料散热和摩擦性能)

Posted 2023-05-27

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摩擦磨损及改性(川大《JMST》：一种简便改性方法同时提高复合材料散热和摩擦性能)

节约能源是人类社会实现可持续发展的世界性问题。减小摩擦有利于提高设备和仪器的使用寿命，从而降低能耗。聚合物自润滑复合材料因其具有可调整的摩擦磨损性能、重量轻、加工性能和切削加工性好以及良好的耐腐蚀性等优良特性而受到摩擦学领域的广泛关注。对功能性填料和增强填料降低材料的摩擦磨损性能已经进行了大量研究。然而由于试样与摩擦副之间的持续滑动，接触表面会积累摩擦热，可能导致严重的塑性变形，因此散热对提高自润滑聚合物复合材料的摩擦学性能至关重要，在提高导热系数方面，构建三维(3D)填充网络和降低界面热阻被认为是有效的方法。PPS是一种高性能热塑性工程聚合物，广泛应用于电子、航空航天等工程领域。但PPS具有较高的摩擦系数和比磨损率，严重限制了应用范围，这是现阶段急需解决的问题。

四川大学的研究人员提出了一种简便的改性方法，通过DA的自聚合(导致PDA的形成)和PDA与聚乙烯亚胺(PEI)的共聚合来帮助碳纳米管和SiC在PPS粉末表面进行沉积。从而构建基于PPS的强化结构。通过构建分离填充网络，可以同时增强PPS基复合材料的导热性和摩擦学性能。相关论文以题为“Simultaneously enhanced heat dissipation and tribological properties of polyphenylene sulfide-based composites via constructing segregated network structure”发表在Journal of Materials Science & Technology。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.jmst.2021.05.043

PPS粉末密度为1.34 g/cm3，熔融温度为285℃，碳纳米管(CNTs)直径为20-40nm，碳化硅(SiC)直径500nm。采用共沉积方法构建由CNTs和SiC组成的基于PPS的分层结构，样品命名为PPS@PDA-CNTs-SiC，对照样品无CNTs和SiC的称为PPS@PDA，另有单含CNTs的PPS@PDA-CNTs，采用熔融共混方法制备了PPS/SiC和PPS/CNTs/SiC两种不同结构的对比试样。

通过PDA的原位聚合和PDA与聚乙烯亚胺(PEI)的共聚，在聚苯硫醚(PPS)粉末表面成功沉积了羧基功能化的多壁碳纳米管(CNTs)和碳化硅(SiC)，形成了PPS@PDA-CNTs-SiC分级增强结构。结果表明，与PPS/CNTs/SiC相比，PPS@PDA-CNTs-SiC的对磨表面更加光滑，经过对磨后PPS基体几乎没有转移到摩擦副表面，PPS@PDA-CNTs-SiC对磨表面的C和Si含量均高于PPS/CNTs/SiC对磨表面，表明PPS@PDA-CNTs-SiC的界面形成了更完整的转移膜，这是显著提高摩擦磨损性能的关键。

图1 PPS@PDA-CNTs-SiC复合材料制备示意图以及粉末的SEM图

图2 (A)不同材料的热导率; (B)纯PPS及其复合材料表面温度的实时演化和(C)光学红外图像

图3 不同材料的低温断裂表面SEM图

(A)纯PPS; (B)熔融复合PPS/SiC; (C)熔融复合PPS/CNTs/SiC; (D) PPS@PDA-CNTs-SiC

图4 不同材料的磨损示意图及表面形貌

通过构建填料网络，实现了聚苯硫醚(PPS)复合材料导热性能和摩擦学性能的同步提高。PPS@PDA-CNTs-SiC的导热系数为0.97W/(m·K)，分别比PPS/CNTs/SiC和纯PPS的导热系数提高120%和410%。此外，PPS@PDA-CNTs-SiC的摩擦系数(0.193)和比磨损率(2.5×10-5mm3/Nm)分别比PPS/CNTs/SiC高18.9%和50%。因此，本研究为制备在散热领域具有潜在应用前景的自润滑聚合物复合材料提供了新的思路。（文：破风）

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