本文選題：稀土溶液　切入點：PBO纖維　出處：《上海交通大學》2015年博士論文　論文類型：學位論文

【摘要】：作為一種由芳雜環(huán)與苯環(huán)共同構成的剛棒狀高分子聚合物,聚對苯撐苯并雙VA唑(PBO)纖維具有優(yōu)異的力學、減摩耐磨、阻燃及耐高溫性能,其比強度和比模量位于各種纖維前列,在國防軍事和航空航天等領域中被視為高性能樹脂基復合材料的新一代增強纖維。然而,PBO纖維表面呈化學惰性且非常光滑,難以與樹脂基體形成良好的浸潤和有效的化學鍵合,極大地限制了其在高性能復合材料領域的應用。因此,開展PBO纖維表面改性工作,改善其與樹脂基體之間的界面粘接性能,成為PBO纖維增強樹脂基復合材料(PFRC)的研究重點。本論文根據(jù)PBO纖維表面性質和稀土元素特殊的化學特性,采用稀土溶液對PBO纖維進行表面改性處理,以改善PBO纖維/聚酰亞胺(PBO/PI)復合材料的界面粘接性能,從而有效地提高了PBO/PI復合材料的力學及摩擦學性能。第一,采用稀土溶液(RES)對PBO纖維進行表面改性處理,制備PBO/PI復合材料。通過常規(guī)力學性能測試及試樣斷口SEM分析,研究RES改性工藝和PBO/PI復合材料力學性能之間的關系,確定了RES的最佳濃度值。結果表明:與硅烷偶聯(lián)劑改性處理方法相比,RES改性處理在常溫和高溫環(huán)境中更加有效地提高了PBO/PI復合材料的力學性能,且高溫條件下,RES改性PBO/PI復合材料的力學性能常溫保持率更高。第二,采用傅立葉變換紅外光譜(FT-IR)及X射線光電子能譜(XPS)分析技術,對RES改性處理前后PBO纖維表面的化學狀態(tài)進行表征,建立了RES改性PBO/PI復合材料界面層的結構模型,闡明了RES對PBO纖維表面改性的作用機理。結果表明:RES改性方法通過稀土離子的配位化學反應,增加了PBO纖維表面含氧極性官能團的濃度;當PBO纖維與PI樹脂復合時,稀土離子可以與PI分子鏈上的含氧基團繼續(xù)發(fā)生配位化學反應,在纖維與樹脂基體之間產生配位鍵合,使PBO纖維與PI樹脂基體之間的界面具有強韌性結構,從而使PBO/PI復合材料力學性能得到顯著改善。第三,研究了常溫環(huán)境中法向載荷、滑動速度和潤滑條件等因素對RES改性PBO/PI復合材料摩擦學性能的影響。結果表明:在干摩擦條件下,復合材料摩擦系數(shù)隨滑動速度和載荷的增加而下降,而其比磨損率均呈上升趨勢;油摩擦條件下,復合材料摩擦系數(shù)隨滑動速度的增加而下降,隨載荷的增加而上升,但其比磨損率均呈下降趨勢。在相同的試驗條件下,RES改性PBO/PI復合材料的減摩耐磨性能優(yōu)于硅烷偶聯(lián)劑改性復合材料。第四,考察了130℃和260℃環(huán)境中RES改性PBO/PI復合材料的摩擦學性能。結果表明:在相同的法向載荷和滑動速度下,復合材料在260℃環(huán)境中的摩擦系數(shù)均低于其在130℃環(huán)境中的摩擦系數(shù),但比磨損率均有所增加。與硅烷偶聯(lián)劑改性處理相比,RES改性PBO/PI復合材料在相同試驗條件下均具有最佳的減摩耐磨性能。第五,探討了RES改性PBO/PI復合材料減摩耐磨性能得以提高的機理。RES改性方法使PBO/PI復合材料界面具有粘接強度高、韌性強和耐高溫等特點,摩擦過程中PBO纖維承擔摩擦界面間主要載荷,減少PI基體與對偶件之間的粘著,從而降低了PBO/PI復合材料的摩擦磨損。本論文采用RES對PBO纖維進行表面改性處理,闡明了PBO纖維表面RES改性的作用機理,制備出具有優(yōu)異減摩耐磨性能的RES改性PBO/PI復合材料,系統(tǒng)地研究了復合材料在常溫和高溫環(huán)境中的摩擦磨損機理及其變化規(guī)律,擴大了稀土在有機纖維表面改性方面的應用,同時也豐富和發(fā)展了PFRC的摩擦學理論。
[Abstract]:As a kind of composed of aromatic heterocyclic ring and rigid rod polymer, poly phenylene and double VA triazole (PBO) fiber has excellent mechanical, antifriction and wear resistant, flame retardant and high temperature performance, the strength and modulus of fibers in the forefront, in military and aerospace fields as a new generation of high performance fiber reinforced resin matrix composites. However, the surface of PBO fiber is chemically inert and very smooth, it is difficult to form a chemical bond of good wetting and effective with resin matrix, which greatly limits its application in the field of high performance composite materials. Therefore, to carry out the work of PBO fiber the surface modification, improve the interface between the resin and the adhesive properties as PBO fiber reinforced resin matrix composites (PFRC) the focus of research. This thesis according to the chemical characteristics of the surface properties of PBO fiber and rare earth elements special, with dilute The surface modification of PBO fiber soil solution to improve PBO fiber / polyimide (PBO/PI) composite interfacial adhesion, thus effectively improving the mechanical and Tribological Properties of PBO/PI composites. First, using rare earth solution (RES) on PBO fiber surface modification and preparation of PBO/PI composite materials through the test and fracture analysis of mechanical properties of conventional SEM, RES study on the relations between the modified process and mechanical properties of PBO/PI composite, the optimum concentration of RES value. The results showed that: compared with silane coupling agent modification method, RES modification in normal and high temperature more effectively improve the mechanics the performance of PBO/PI composite materials, and under the condition of high temperature, room temperature mechanical properties of RES modified PBO/PI composites maintain higher rate. Second, using Fu Liye transform infrared spectroscopy (FT-IR) and X (X-ray photoelectron spectroscopy XPS) analysis techniques were used to characterize the chemical state of RES modified PBO fibers before and after treatment, establishes a structure model of RES modified PBO/PI composites interface layer, the effect mechanism of RES on surface modification of PBO fiber. The results showed that RES modified by rare earth ion coordination chemical reaction, increase the concentration of PBO fiber surface oxygen-containing polar functional groups; when the PBO fiber and PI composite resin, rare earth ions with PI molecular chain of oxygen containing groups to the coordination of chemical reaction, generate coordination bonding between fibers and resin matrix, the matrix between PBO fiber and PI resin with strong interface the toughness of structure, so that the mechanical properties of PBO/PI composites were significantly improved. Third of normal temperature normal load, sliding speed and the influence of lubrication conditions on the tribological properties of PBO/PI composites modified by RES results. Show that under dry friction, the friction coefficient decreases with the increase of sliding speed and load, while the wear rate increased; the oil friction condition, the friction coefficient increases with sliding velocity decreased, and increased with the increase of load, but the wear rate decreased trend. Under the same experimental conditions, RES modified PBO/PI Composites by friction and wear resistance properties than composites modified by silane coupling agent. Fourth, the tribological properties of PBO/PI composites modified by RES 130 degrees and 260 degrees in the environment were investigated. The results show that: in the same normal load and sliding speed. The friction coefficient of the composite material at 260 DEG C was lower than that of its friction coefficient at 130 DEG C, but the wear rate increased. Compared with the silane coupling agent modified RES modified PBO/PI composites under the same experimental conditions are Have the best antifriction property. Fifth, RES modified PBO/PI composite antifriction property to.RES mechanism to improve the method of modification of the interface of PBO/PI composites with high bonding strength of the strong toughness and resistance to high temperature, friction between the main load interface of PBO fiber friction in the process of commitment, reduce the adhesion between PI matrix and dual parts, thereby reducing the friction and wear of PBO/PI composites. The surface modification of PBO fiber RES, illustrates the PBO RES fiber surface modification mechanism, prepared with excellent antifriction and wear resistance of RES modified PBO/PI composites were systematically studied friction the wear mechanism and variation of composite materials in normal and high temperature in the expansion of rare earth in surface modification of organic fiber and the application of, but also enriched and developed the theory of tribology PFRC.

【學位授予單位】：上海交通大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TB332

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本文編號：1642791