KMS Lanzhou Institute of Chemical Physics，Chinese Academy of Sciences
| 水性粘结固体润滑涂层的设计、制备及性能研究 | |
| Alternative Title | 无 |
李斌
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| Thesis Advisor | 陈建敏 ; 冶银平 |
| 2019-05-16 | |
| Degree Grantor | 中国科学院大学 |
| Place of Conferral | 北京 |
| Degree Name | 工学博士 |
| Department | 先进润滑与防护材料研究发展中心 |
| Degree Discipline | 材料学 |
| Keyword | 水性粘结固体润滑涂层 环境友好型材料 摩擦磨损性能 摩擦学机理 Water-based bonded solid lubricating coating Environmental-friendly materials Friction and wear properties Tribological mechanisms |
| Abstract | 随着自然环境的不断恶化以及人类环保意识的逐渐增强，新材料的研发势必要走低碳、环保和可持续发展的方向。水性粘结固体润滑涂层，作为一类新型的固体润滑材料，其以水作为分散介质，大大降低了有机溶剂的使用，具有资源丰富和环境友好等优点。因此，深入研究水性粘结固体润滑涂层受到人们愈来愈多的重视，也更加满足社会可持续发展的需求。本论文通过调研庞大的具有不同性质的水性有机树脂体系，遴选出具有优异粘结性能和力学强度的水性聚酰胺酰亚胺(PAI)树脂；然后通过采用合适的表面处理方法有效地改善了固体润滑剂和纳米填料的水分散性能和分散稳定性，使得润滑剂和填料能够充分且均匀地分散于水性涂层之中，最大化地发挥了涂层各组分的相应作用(树脂的粘结作用、润滑剂的减摩作用和纳米填料的增强作用)；进一步地，通过系统地调控涂层中各组分之间的界面相互作用(匹配相容性和相对含量)，对涂层的组成和结构进行了深入的优化。在此基础上制备出了一系列具有优异力学和摩擦学性能的水性粘结固体润滑涂层。研究工作取得了一些有价值的成果，有效地推动了固体润滑材料朝着环境友好型的方向发展，并为其工程化应用提供了充分的理论指导和技术支持。 1.为研制兼具环保性和优异力学和摩擦学性能的水性粘结固体润滑涂层，以水性PAI树脂为粘结剂，二硫化钼(MoS2)为润滑剂，LaF3纳米粒子为增强型填料，去离子水作为分散介质，并添加适当的的表面活性剂(改性丙烯酸树脂)用以改善固体润滑剂和填料的水分散性能，然后采用压缩空气喷涂的工艺制备了水性PAI/MoS2/LaF3粘结固体润滑涂层，并系统地探究了水性PAI树脂的热力学性能和涂层基本组分(水性PAI树脂、MoS2和LaF3)之间相对含量的变化对涂层力学和摩擦学性能的影响。研究结果表明：水性PAI/MoS2/LaF3粘结固体润滑涂层的研制大大降低了有机溶剂的使用率，是一类新型环保的固体润滑涂层材料；当固化温度为270℃时粘结剂可以完全固化，所制备的涂层表现出优异的力学性能；当涂层中润滑剂和粘结剂的质量比为1.7，且LaF3的含量为3wt.%时，水性涂层表现出优异的基本理化性能和摩擦学性能，其中涂层的粗糙度(1.5±0.5μm)，韧性(1mm)，附着力(0级)，抗冲击强度(50cm)以及摩擦系数(0.09)和耐磨寿命256m/μm)均达到了有机溶剂型涂层的相应水平；有关摩擦学机理的探究结果显示，对偶环表面生成的转移膜有效地隔离了摩擦副之间的直接接触，一定程度上改善了涂层的减摩和耐磨性能；转移膜中FeF2和FeS的生成说明转移膜与金属基底之间形成了化学键合作用，从而有效地提高了转移膜的稳定性；MoS2的表面通过附着有LaF3纳米粒子，减少了其与空气的接触面积，使其氧化程度得到有效地抑制(氧化程度降低了13.2%)，进而改善了涂层的减摩和耐磨性能。 2.制备的水性PAI/PTFE/LaF3粘结固体润滑涂层以水作为分散介质，大大减少了有机溶剂的使用，有利于环保和社会的可持续发展，同时系统地探究了水性涂层的力学和摩擦学性能以及相应的摩擦磨损机理。结果表明，通过选用合适的表面活性剂(改性的丙烯酸树脂)来润湿处理PTFE粉末，实现了其在水介质中的有效分散；通过系统地调控涂层中各组分之间的相互含量，对涂层的力学和摩擦学性能进行了深入的优化，当涂层中PTFE和水性PAI树脂的质量比为1.5，且LaF3质量分数为5wt.%时，涂层表现出优异的力学和摩擦学性能(粗糙度约为1.5μm，韧性为1mm，附着力0级，抗冲击强度50cm，摩擦系数约为0.067，磨损率约为3.0×10-5mm3•N-1•m-1)；有关涂层摩擦学性能分析结果表明，涂层的磨损主要集中于摩擦的初始阶段，此后摩擦系数和磨损率均变化不明显；摩擦系数与载荷的变化呈正相关关系，而磨损率则与载荷呈负相关关系；摩擦系数和磨损率均与滑动速度的变化呈负相关关系。 3.制备的水性PAI/石墨/LaF3粘结固体润滑涂层是一种新型环保的固体润滑材料，其以水作为分散介质，大大减少了有机溶剂的使用。通过大量的文献调研和实验验证，选用BYK-LPN22255表面活性剂显著改善了石墨粉末和LaF3纳米粒子的水分散性能。通过系统地调控涂层中各组分之间的相对含量，制备出了具有优异力学和摩擦学性能的水性PAI/石墨/LaF3粘结固体润滑涂层，当涂层中水性PAI树脂和石墨的固体成分质量比为1.2，且LaF3含量为5wt.%时，涂层的粗糙度，韧性(1mm)，附着力(0级)，抗冲击强度(80cm)以及摩擦系数(0.08)和磨损率(8.6×10-6mm3•N-1•m-1)均可达到有机溶剂性涂层的相应指标。摩擦过程中新生成FeF2、Fe2O3、La2C2O3、马氏体铁、石墨和LaF3构成了转移膜的主要组分，这在一定程度上隔离了摩擦对偶之间的直接接触，有助于涂层摩擦学性能的提升；因受到物理外力和摩擦热的双重作用，石墨的晶格无序度明显增大，说明石墨的结构稳定性得到一定程度的稳固，从而有效地改善了涂层的减摩性能。 4.围绕LaF3纳米粒子的水分散性能方面设计了一种简便新颖的改性方法，结果显示改性后的LaF3的水分散性能得到明显改善，这归结于大量的聚合物交联分子通过静电吸引力和氢键作用吸附于纳米颗粒表面，大大提升了纳米粒子在水介质中的空间位阻，进而提高了LaF3纳米粒子的水分散性能和分散稳定性。改性后的LaF3纳米粒子实现了在水性涂料和涂层中纳米级的分散效果，且通过调控水性涂层中LaF3纳米粒子的百分含量，进一步探究了其对涂层力学和摩擦学性能的影响。此外，通过比较添加未改性的LaF3和采用表面活性剂处理的LaF3，添加具有优异水分散性能的改性LaF3可使得涂层的力学和摩擦学性能得到进一步地改善。 |
| Other Abstract | 无 |
| Document Type | 学位论文 |
| Identifier | http://ir.licp.cn/handle/362003/25262 |
| Collection | 中国科学院兰州化学物理研究所 |
| Affiliation | 1.中国科学院兰州化学物理研究所; 2.中国科学院大学 |
| Recommended Citation GB/T 7714 | 李斌. 水性粘结固体润滑涂层的设计、制备及性能研究[D]. 北京. 中国科学院大学,2019. |
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