【摘要】 聚酰亞胺(PI)是一種力學(xué)性能優(yōu)異的自潤(rùn)滑高分子材料，可用于制造軸瓦零件，但是其摩擦學(xué)性能和力學(xué)性能受諸多因素的影響。成型工藝條件對(duì)PI基制件的力學(xué)性能和摩擦學(xué)性能影響至關(guān)重要。本文中使用熱模壓工藝成型PI制件，利用正交試驗(yàn)法研究了各工藝參數(shù)對(duì)PI力學(xué)性能的影響，通過對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的非線性曲面擬合運(yùn)算得出了使PI具有最佳力學(xué)性能的工藝參數(shù)組合。利用摩擦學(xué)試驗(yàn)機(jī)評(píng)價(jià)PI的摩擦學(xué)性能，研究了成型工藝條件、載荷、滑動(dòng)速度對(duì)PI摩擦系數(shù)、磨損率的影響規(guī)律，觀察其磨損表面形貌，探討磨損機(jī)理。在以上研究基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了PI半環(huán)軸瓦成型模具，根據(jù)軸瓦成型效果進(jìn)一步優(yōu)化了成型工藝，并研究了配副粗糙度對(duì)PI半環(huán)軸瓦摩擦學(xué)性能的影響。研究結(jié)果表明：熱模壓成型工藝參數(shù)與PI制件力學(xué)性能和摩擦學(xué)性能有明顯關(guān)聯(lián)，其中成型溫度對(duì)其力學(xué)性能及摩擦學(xué)性能影響最為顯著；保壓時(shí)間和成型壓力對(duì)PI耐磨性能和減摩性能有不同程度的影響。摩擦工況參數(shù)對(duì)PI耐磨性能和減摩性能影響明顯，具有較強(qiáng)相關(guān)性。PI半環(huán)軸瓦熱模壓成型工藝中，厚度與保壓時(shí)間關(guān)聯(lián)明顯。在不同配副表面粗糙度條件下，PI軸瓦摩擦學(xué)性能有較大差異。 

第1章 緒 論

1.1 聚酰亞胺概述
20 世紀(jì)中葉，隨著宇航、導(dǎo)彈、電器和交通運(yùn)輸?shù)雀呔�尖產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，迫切需求能在溫差劇烈變動(dòng)、有大劑量貫穿輻射和腐蝕介質(zhì)作用以及燃燒等條件下仍能保持工程結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的新型高分子材料，此時(shí)，一類分子結(jié)構(gòu)主要以芳環(huán)和雜環(huán)為組成單元的高聚物材料應(yīng)運(yùn)而生，優(yōu)異的耐高溫性能是這類高聚物突出特點(diǎn)之一，它們的出現(xiàn)大大提高了高分子復(fù)合材料的使用溫度。那一時(shí)期涌現(xiàn)出的十幾種此類型高聚物中，，只有聚苯硫醚、聚醚砜和聚酰亞胺等以其較高的性價(jià)比被廣泛關(guān)注和研究[1]。其中聚酰亞胺(PI)是被美國(guó)化學(xué)文摘主題期刊單獨(dú)列題研究的六種高分子聚合物之一，可見聚酰亞胺具有較高的開發(fā)利用價(jià)值和不可替代性[2]。聚酰亞胺是指主鏈上含有聚亞胺環(huán)的一類聚合物，分子中具有十分穩(wěn)定的芳雜環(huán)結(jié)構(gòu)，突出的化學(xué)穩(wěn)定性和耐輻射性能是其他高聚物材料無(wú)法比擬的，在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)、油泵、耐高溫電子儀表、電路板印刷等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[3-5]。1908 年 Bogert等人在試驗(yàn)室條件下，成功實(shí)現(xiàn)了 4-基鄰苯二甲酸酐在熔融狀態(tài)下的自縮聚反應(yīng)，首次合成了聚酰亞胺[6]。直到 1955 年，美國(guó)科學(xué)家 Robison 和 Edwards 申請(qǐng)了世界上首個(gè)關(guān)于聚酰亞胺應(yīng)用于材料方面的專利，聚酰亞胺的研究從此拉開了新的序幕[7]。1969 年法國(guó)科學(xué)家首次成功開發(fā)出雙馬來(lái)酰亞胺預(yù)聚體，該聚合物在固化時(shí)無(wú)副產(chǎn)物氣體產(chǎn)生，易成型，良好的加工性能，制品密實(shí)無(wú)氣孔，是高性能復(fù)合材料的理想基體樹脂[8]。70 年代，美國(guó)航空航天局為了改善聚酰亞胺的加工性能以更好的應(yīng)用于飛行器開發(fā)制造，成功研制了PMR熱固性聚酰亞胺樹脂，PMR-15是當(dāng)前具有代表性的PMR型聚酰亞胺樹脂[9]。
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1.2 聚酰亞胺的成型工藝
聚酰亞胺是耐熱性最高的高分子聚合物，熱固性聚酰亞胺高溫下無(wú)明顯的軟化現(xiàn)象，流動(dòng)性能很差，很多熱固性線形聚酰亞胺即使加熱到分解也不會(huì)出現(xiàn)明顯的軟化，這是由聚酰亞胺分子結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)決定的，對(duì)成型工藝提出的更高的要求，主要成型方法為模壓成型。此成型工藝的主要特點(diǎn)是對(duì)物料的流動(dòng)性要求很低，能夠克服熱固性聚酰亞胺流動(dòng)性差等缺點(diǎn)，但模壓成型工藝生產(chǎn)周期長(zhǎng)，模壓毛坯一般要進(jìn)行二次加工去除毛邊，生產(chǎn)效率低，成本高。但聚酰亞胺模壓制品以其優(yōu)異的綜合性能受到人們的重視，主要用于高溫?zé)o潤(rùn)滑軸承的制造[21]。文獻(xiàn)[22]針對(duì)共聚聯(lián)苯型聚酰亞胺模塑料的模壓成型開展研究，主要研究了成型工藝條件對(duì)其拉伸性能的影響，結(jié)果表明：模壓溫度、模壓壓力和模壓時(shí)間均對(duì)聚酰亞胺試樣的拉伸性能產(chǎn)生影響。熱固性聚酰亞胺由于其大分子間作用力較強(qiáng)，韌性差，熱成型溫度高，不易被機(jī)加工成型，目前提高其可加工性的方法主要有：開發(fā)熱塑性聚酰亞胺、可溶聚酰亞胺和 PMR 型聚酰亞胺[23-27]。宋艷江[29]等人研究了注射和熱模壓成型工藝對(duì)碳纖維增強(qiáng)型PI復(fù)合材料力學(xué)性能和摩擦學(xué)性能的影響，結(jié)果表明注射成型的 PI 復(fù)合材料的各項(xiàng)力學(xué)性能都要優(yōu)于熱模壓成型工藝，具有較高的斷裂強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率，但熱模壓成型試樣具有更加優(yōu)異的摩擦學(xué)性能。
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第2章 試驗(yàn)方案及試驗(yàn)結(jié)果分析方法

2.1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)
本論文主要針對(duì)成型工藝參數(shù)對(duì) PI 力學(xué)性能和摩擦學(xué)性能的影響進(jìn)行研究，為PI 軸瓦成型提供工藝參考。首先以工藝參數(shù)為變化因素，開展正交實(shí)驗(yàn)，運(yùn)用極差分析和非線性曲面擬合分析正交實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，探索成型工藝參數(shù)對(duì) PI 制樣力學(xué)性能的影響，得出最佳工藝參數(shù)組合。利用摩擦學(xué)試驗(yàn)機(jī)評(píng)價(jià) PI 的摩擦學(xué)性能，研究熱模壓工藝參數(shù)、滑動(dòng)速度和載荷對(duì) PI 摩擦系數(shù)和磨損率的影響，觀察 PI 磨損形貌分析磨損機(jī)理。然后參考以上實(shí)驗(yàn)成果設(shè)計(jì) PI 軸瓦成型模具，制備 PI 軸瓦，并研究配副表面粗糙度對(duì) PI 軸瓦摩擦學(xué)性能的影響規(guī)律。本試驗(yàn)主要包括以下四大部分：
(1)熱模壓成型 PI 試樣。PI 模塑粉通過采購(gòu)獲取，然后參考相關(guān)文獻(xiàn)選取合適的成型工藝參數(shù)，主要包括成型溫度、成型壓力和保壓時(shí)間，利用真空熱模壓機(jī)對(duì)其制備成型。
(2)PI 力學(xué)性能評(píng)價(jià)試驗(yàn)。開展正交試驗(yàn)，利用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)評(píng)價(jià)不同工藝參數(shù)下制備的 PI 制樣的拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度，根據(jù)極差分析法及數(shù)據(jù)擬合運(yùn)算結(jié)果確定一組使 PI 具備最佳力學(xué)性能的工藝參數(shù)。
(3)PI 摩擦學(xué)試驗(yàn)。運(yùn)用 CETR 摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，評(píng)價(jià)不同工藝參數(shù)下制備 PI試樣及其在不同摩擦載荷、速度下的摩擦磨損性能，使用 OLSM 和 SEM 觀察其模塑形貌，分析磨損機(jī)理，探索其作用規(guī)律。
(4)設(shè)計(jì) PI 軸瓦成型模具，根據(jù)軸瓦成型效果探索工藝參數(shù)與制件結(jié)構(gòu)之間的關(guān)聯(lián)，優(yōu)化熱模壓工藝參數(shù)，并研究配副表面粗糙度對(duì) PI 摩擦學(xué)性能的影響，觀察配副磨損表面，探討磨損機(jī)理。
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2.2 主要試驗(yàn)材料
PI 板材在高溫高壓的環(huán)境中制備成型，高溫下具有一定的流動(dòng)性，且成型壓力較大，PI 制樣和模具型腔表面的界面壓力很大，成型過程中容易粘結(jié)在型腔表面，造成脫模困難；另一方面 PI 制樣在冷卻過程中會(huì)有一定的體積收縮，表面積減小，而石墨模具的熱膨脹系數(shù)很小，表面尺寸很穩(wěn)定，導(dǎo)致冷卻過程中相互粘結(jié)部分會(huì)產(chǎn)生較大的應(yīng)力，影響 PI 制樣表面質(zhì)量，甚至?xí)�出現(xiàn)裂縫，所以選擇合適的脫模劑很重要。六方氮化硼是常用的固體潤(rùn)滑劑[37]，在高溫下具有更加優(yōu)異的潤(rùn)滑性能，常用于高溫脫模劑，本試驗(yàn)中選擇由東莞市佳丹潤(rùn)滑油有限公司山產(chǎn)的氮化硼離型噴霧劑，型號(hào)為 JD-3028，試驗(yàn)中噴涂在模具表面，能夠有效防止 PI 和模具表面粘結(jié)，更易脫模。
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第 3 章 熱模壓成型工藝參數(shù)對(duì) PI 力學(xué)性能的影響..........18
3.1 引言 ....... 18
3.2 正交試驗(yàn)方案 ....... 18
3.3 試驗(yàn)結(jié)果與討論 ........... 18
3.3.1 各工藝參數(shù)對(duì) PI 力學(xué)性能的影響 ....... 19
3.3.2 熱模壓最佳工藝參數(shù)..... 21
3.3.3 本章小結(jié)......... 23
第 4 章 熱模壓成型 PI 摩擦學(xué)性能研究......24
4.1 引言 ....... 24
4.2 熱模壓工藝參數(shù)對(duì) PI 摩擦學(xué)性能的影響 ......... 24
4.3 摩擦工況對(duì) PI 摩擦學(xué)性能的影響 ..... 39
4.4 本章小結(jié) ....... 47
第 5 章 PI 半環(huán)軸瓦成型工藝研究.......49
5.1 引言 ....... 49
5.2 成型模具設(shè)計(jì) ....... 49
5.3 軸瓦成型效果分析 ....... 51
5.4 本章小結(jié) ....... 58

第5章 PI 半環(huán)軸瓦成型工藝研究

5.1 引言
軸瓦是滑動(dòng)軸承與軸接觸的部分，形狀為瓦狀的半圓柱面，聚合物軸瓦具有質(zhì)輕、絕緣、耐腐蝕、免維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，得到廣泛應(yīng)用。PI 軸瓦相對(duì)板材類零件結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，對(duì)成型工藝和成型模具提出了更高的要求。在第三章、第四章中已經(jīng)研究了成型工藝對(duì) PI 力學(xué)性能和摩擦學(xué)性能的影響，得出一組使 PI 具有最佳力學(xué)性能的工藝參數(shù)，清楚了工藝條件對(duì) PI 摩擦磨損性能的影響規(guī)律。本章擬在前期工作的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一種軸瓦熱模壓成型模具，制備 PI 軸瓦，進(jìn)一步優(yōu)化成型工藝。同時(shí)通過摩擦學(xué)實(shí)驗(yàn)探索配副粗糙度對(duì) PI 軸瓦摩擦學(xué)性能的影響�？紤]到 PI 軸套是在高溫高壓的條件下制備成型，模具不僅要能耐高溫，且在高溫下能夠保持較高的強(qiáng)度和尺寸穩(wěn)定性，才能保證成型軸瓦的尺寸精度。在第三章中 PI 板材制備成型工藝中使用的為石墨模具，石墨雖然在高溫環(huán)境下不僅能夠保持較高的強(qiáng)度和尺寸穩(wěn)定性，但熱模壓成型過程中不加墊石墨紙的情況下，PI 容易和石墨模具內(nèi)腔表面粘接在一起，脫模過程中會(huì)對(duì)其內(nèi)表面造成破壞，同時(shí)還會(huì)對(duì) PI制件造成污染。由于純 PI 硬度高，韌性差，不易與光滑的金屬表面發(fā)生粘結(jié)現(xiàn)象，所以本章試驗(yàn)中采用金屬模具對(duì) PI 軸瓦進(jìn)行熱壓成型。

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結(jié) 論

本文利用真空熱壓設(shè)備實(shí)現(xiàn)了 PI 模塑粉的燒結(jié)成型，在大量探索試驗(yàn)的基礎(chǔ)上對(duì)其成型工藝進(jìn)行了優(yōu)化。以熱模壓工藝參數(shù)為研究對(duì)象，開展正交試驗(yàn)，確定了工藝參數(shù)對(duì) PI 力學(xué)性能的影響；通過評(píng)價(jià)不同工藝參數(shù)下成型 PI 試樣的摩擦磨損性能，以及觀察其磨損表面微觀形貌，研究了成型工藝條件對(duì) PI 摩擦學(xué)性能的影響；系統(tǒng)對(duì)比了不同載荷、滑動(dòng)速度下 PI 的摩擦學(xué)性能，通過擬合運(yùn)算研究了摩擦工況對(duì) PI 摩擦學(xué)性能的影響規(guī)律；設(shè)計(jì)了 PI 軸瓦成型模具，成功制備出 PI 軸瓦，研究了配副表面粗糙度對(duì)其摩擦學(xué)性能的影響。主要得出的結(jié)論如下：
(1)正交試驗(yàn)結(jié)果顯示成型溫度、成型壓力、保壓時(shí)間對(duì) PI 力學(xué)性能均有影響，其中成型溫度為對(duì)力學(xué)性能的影響最為顯著。通過對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的非線性曲面擬合運(yùn)算得出在 360~365℃、20MPa 和 30~35min 條件下成型的 PI 具有最佳拉伸性能；360~370℃、23~25MPa 和 30~35min 工藝條件下 PI 彎曲性能最佳。PI 最佳力學(xué)性能的成型工藝條件為：360~365℃，20~22MPa，30~35min。
(2)在 340~380℃溫度范圍內(nèi)，較高的成型溫度有利于提高 PI 的摩擦學(xué)性能，摩擦過程中能夠形成穩(wěn)定的粘流層，降低摩擦系數(shù)和磨損率。30~90min 時(shí)間范圍內(nèi)，延長(zhǎng)保壓時(shí)間能夠提高大分子的取向度，顯著提高耐磨性，但摩擦系數(shù)會(huì)隨之增大。20MPa 成型壓力成型 PI 制樣摩擦性能較好，但磨損率較大，成型壓力為 15 或 25MPa下 PI 則磨損率較小，摩擦系數(shù)較大。
(3)載荷 P 為 1.6MPa 時(shí)，隨著滑動(dòng)速度的增大摩擦系數(shù)呈線性減小，磨損率線性增大。高速和低速滑動(dòng)下，PI 摩擦系數(shù)均隨 P 的增大呈線性增大趨勢(shì)。
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參考文獻(xiàn)（略）