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双连续相PTFE/金属摩擦材料界面力-热协同效应调控机制

批准号:
52101083
项目类别:
青年科学基金项目(C类)
资助金额:
30.0 万元
负责人:
傅丽华
依托单位:
学科分类:
金属材料使役行为与表面工程
结题年份:
2024
批准年份:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
傅丽华

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
高性能金属基PTFE自润滑材料是高端装备用轴承自润滑材料的主要发展方向。双连续相PTFE/金属复合材料作为极具潜力的新型自润滑轴承材料,但其界面弱结合、高热阻问题是制约其应用的瓶颈。为此,本项目以双连续相PTFE/金属复合材料为研究对象,从PTFE聚合物与金属间的界面问题出发,采用金属-聚多巴胺(PDA)混合颗粒对双连续相PTFE/金属复合材料进行界面调控,揭示金属-PDA界面层协同强化界面结合和界面热导的机制;借助实验分析和模拟计算相结合的手段,构建双连续相PTFE/金属-PDA/金属复合材料的力学模型和热传导模型;并基于材料磨损特性、摩擦热和动态接触应力的分析,研究材料各组成相对磨损特性的影响机制,形成双连续相PTFE/金属磨损性能调控理论,为高性能金属基PTFE自润滑材料开发提供理论依据和技术支撑,也为该复合材料的长寿命、高可靠服役提供基础数据。
英文摘要
High performance PTFE-metal matrix self-lubricating materials are the main development directions of self-lubricating bearing for high-end equipment. The co-continuous PTFE/metal composites as a potential new self-lubricating bearing materials. However, the weak bonding and high thermal resistance at the interface between PTFE polymer and metal in co-continuous PTFE/metal composites is the bottleneck which restricting its applicaiton. Therefore, in this project, it takes the co-continuous PTFE/metal composites as the research object, starts from the interface problems between PTFE polymer and metal, chooses metal-polydopamine (PDA) mixed particles to regulate the interface in the co-continuous PTFE/metal composites. And, it revealed the synergistically strengthening mechanism of the interfacial bonding and thermal conductivity by the metal-PDA interface layer. By the means of experimental analysis and numerical simulation, the mechanical model and heat conduction model of the co-continuous PTFE/metal-PDA/metal composites are established. Also, based on the analysis of the wear characteristics, friction heat and dynamic contact stress, the influence mechanism of the composition phase on the wear characteristics is studied, the control theoretical of the wear properties for the co-continuous PTFE/metal composites is formed. The above research results will provide theoretical basis and technical support for the development of high-performance PTFE-metal matrix self-lubricating materials, and also provide basic data for the long life and high reliable service of the composites.
高性能PTFE/金属固体自润滑材料在高端装备用轴承中具有重要意义。本项目针对PTFE/金属自润滑材料承载弱、导热差、PTFE与金属相之间存在严重界面问题(界面结合弱、界面热阻高),制备了双连续相PTFE/铜自润滑复合材料,并采用聚多巴胺(PDA)和纳米金属-聚多巴胺(MNPs-PDA)对其进行了界面改性调控;分析了双连续相PTFE/纳米金属-PDA/铜复合材料力、热学性能,揭示了纳米金属-PDA改性层提高界面结合和界面热导的协同强化机制,建立了该复合材料的载荷传递和热量传导模型;探讨了双连续相PTFE/纳米金属-PDA/铜复合材料基于摩擦热和接触载荷分布的磨损特性和转移膜形成机理,揭示了材料各组成相提高耐磨性的关联机制。主要结论如下:(1)采用抽滤填充+冷压成型+热压烧结法可成功制备出双连相PTFE/铜复合材料,在此基础上采用摇床振动法可对双连续相PTFE/铜复合材料进行PDA和MNPs-PDA界面改性调控,其中最佳界面改性参数为:pH值=8.5左右,溶液温度为60 ℃,振荡器转速为80 r/min,沉积时间为2 h。(2)双连续相PTFE/纳米金属-PDA/铜复合材料由于铜骨架和纳米金属-PDA界面改性层的综合作用,使得PTFE基复合材料的力学性能和导热性能显著提升,其中纳米金属-PDA界面改性一方面通过促进PDA与PTFE之间的交联反应,提高了复合材料的界面结合性能,另一方面通过在界面处形成连续导热通道,提高了复合材料的界面导热性能。(3)摩擦磨损过程中,双连续相PTFE/纳米金属-PDA/铜复合材料由于铜骨架和纳米金属-PDA界面改性层的综合作用,使材料抵抗载荷和摩擦热损伤的能力提高,同时使PTFE更容易在摩擦副表面形成均匀致密转移膜,进而使得材料耐磨性显著提高。相关成果为高性能PTFE/金属自润滑材料开发设计和长寿命、高可靠服役提供理论和技术支撑。
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