不同填料改性PI復合材料機械性能測試與分析

彭惠芬,王 鵬,王 程

（1．東北石油大學機械科學與工程學院,黑龍江大慶,163318；2．大慶油田有限責任公司鉆探工程公司，黑龍江大慶,163453）

不同填料改性PI復合材料機械性能測試與分析

彭惠芬1,王 鵬2,王 程2

（1．東北石油大學機械科學與工程學院,黑龍江大慶,163318；2．大慶油田有限責任公司鉆探工程公司，黑龍江大慶,163453）

文章主要分析了在PI中加入SiC纖維、CF、Al2O3纖維對PI材料摩擦磨損性能、硬度性能、力學性能的影響。

PI復合材料；SiC纖維；測試

0 引言

PI是一種應用廣泛的工程塑料，其具有高強度、高模量、耐水解、低吸水率、絕緣性良好、穩定性強的優點，應用的領域包括航空、膜、航天、液晶、納米、激光等。聚酰亞胺被列為21世紀最有希望的工程塑料之一。PI也有其缺點比如抗壓強度低等，因此不適合作為摩擦材料單獨使用，加入增強纖維可以增強其性能。改性PI的方法主要有填充、共聚、結構改造、共混等方法，在這些方法當中最簡單有效的方法是填充改性的方法，既保持其優點又可的提高其綜合性能。常用的填料有無機填料、納米粒子、金屬及金屬氧化物、雜化填料等。本文主要分析了SiC纖維、CF、Al2O3纖維填充對PI的摩擦磨損性能、硬度性能、力學性能的影響。

1 原料與設備

1.1 原料

表1 實驗原料

在實驗中用到的實驗原料如表1所示。

1.2 設備

本實驗中用到的設備如表2所示。

表2 實驗設備

2 實驗方法

2.1 復合材料制備

PI復合材料的制備過程如圖1所示，要先將PI在鼓風干燥箱中進行干燥，其條件為250℃，2h；然后將風干后的PI與經過表面處理的填料按照比例高速混合10min，混合要均勻，填充料的質量分數為5%；最后用XLB型平板硫化機熱模壓成型，這個階段分為兩個部分，分別為預塑階段（280℃、10-12MPa、1h）和成型階段（340℃、10-12MPa、1h），溫度降至100℃時，可脫模，得到復合材料板材，再加工成試樣。試樣要求：材料表面平整、無裂

紋氣泡、不分層、沒有明顯的雜質、無加工損傷等。

圖1 PI復合材料的制備過程

2.2 性能測試方法

2.2.1 力學性能測試

PI復合材料力學性能測試根據國標法GB/T1040-92和GB/ T9341-2000進行，采用電子萬能材料試驗機，測定PI復合材料的彎曲強度、拉伸強度，測定三次，取平均值。結果取3次測量平均值。

沖擊強度的測定根據國標法GB/T1043-93進行，采用簡支梁沖擊試驗機測定復合材料沖擊強度，測定三次，取平均值。沖擊強度αk（kJ/m2）按照公式（1）進行計算。

在公式（1）中，Ak代表缺口試樣吸收的沖擊力量，單位為J；b代表試樣寬度，單位為mm；dk代表缺口試樣缺口處剩余厚度，單位為mm。

2.2.2 硬度性能測試

PI復合材料的硬度性能測采用XHR-150塑料洛氏硬度計進行，采用HRR標尺，載荷是60Kg，壓頭直徑為12.7mm，加載時間15s，卸載時間15s，測定5次，取平均值。

2.2.3 摩擦磨損性能測試

按照GB3960-83在M-2000A型磨損試驗機上測試PI復合材料的摩擦磨損性能。實驗在室溫條件下進行，滑動速度為200轉/分，載荷分別為150N、200N、250N。

復合材料的磨損用磨損量進行評定，即試樣在試驗前后的重量之差。試樣在磨損前后進行去污，供干，釆用精度為0.lmg的分析天平稱量，計算試樣磨損前后重量之差。每次試驗至少3次重復，結果取其平均值。

3 試驗結果分析

3.1 不同纖維填充的力學性能

不同纖維改性PI材料的拉伸強度、彎曲強度、彎曲彈性模量、沖擊強度有所不同，其具體的測定比較結果如圖2所示。

由圖2可知，SiC纖維改性PI復合材料和CF改性復合材料都提高了其拉伸強度和彎曲彈性模量、彎曲強度，AI2O3纖維改性PI材料的彎曲強度有所下降，其拉伸強度和彎曲彈性模量有所提高。在三種纖維中，SiC纖維改性PI復合材料性能較好，分別比純PI提高23.4%、8.8%和5.4%。

提高PI材料性能的原因是，纖維可以非常牢固地嵌入到PI基體中，并形成良好的界面層，因為纖維具有強度高、模量高的特性，所以能夠增強PI材料的彎曲強度、彎曲彈性模量等。

CF改性PI復合材料的彎曲彈性模量高于SiC纖維、Al2O3纖維的改性PI復合材料的彎曲彈性模量，這主要是因為SiC纖維和Al2O3纖維為陶瓷類纖維，彈性模量低于CF，受彎曲力容易破裂，所以SiC纖維和Al2O3纖維的改性PI復合材料的彎曲彈性模量較低。

由圖2（d）可知，3種纖維改性PI復合材料的沖擊強度都有所下降，SiC纖維PI復合材料的沖擊強度下降最小。這主要是因為纖維剛性較大易脆，不易受外力影響，吸收沖擊能的能力低，所以這3種纖維改性PI復合材料的沖擊強度均降低了。但是由于SiC纖維與PI基體有相容性的較好，能吸收的沖擊能量較多，所以SiC纖維改性PI復合材料沖擊強度較大。

圖2 3種纖維改性PI復合材料力學性能

3.2 不同纖維改性PI復合材料的硬度性能

3種纖維改性PI復合材料的硬度性能的測定結果如圖3所示。由圖3可知，3種纖維改性PI復合材料比純PI材料的硬度都有所增加，其中SiC纖維/PI復合材料的硬度最高，比純PI提

圖3 3種纖維改性PI復合材料的硬度測試

高了1.8%。增強PI材料硬度的主要原因是纖維的增強起到了剛性支撐點作用，在接受外力時，纖維承擔部分載荷，提高了PI復合材料的硬度，在這三種纖維中，SiC纖維的硬度較高，所以SiC纖維/PI復合材料的硬度也最高。

3.3 不同纖維改性PI復合材料的摩擦磨損性能

圖4所示在150N、200N、250N載荷下3種纖維改性PI復合材料磨損量。由圖4可知，SiC纖維/PI復合材料的磨損量最低，其磨損量在150N、200N、250N載荷下分別是純PI的27.9%、13.4%和10.9%。隨著載荷增加，SiC纖維/PI復合材料、AI2O3纖維/PI復合材料的磨損量逐漸降低，說明載荷越大，SiC纖維、AI2O3纖維PI復合材料的耐磨性越好，這主要是因為SiC纖維、AI2O3纖維的導熱性好、硬度高，摩擦過程中在對偶表面形成均勻的轉移膜，有效降低復合材料磨損。

[1] 徐錦泱,劉雷,羅建偉,等.聚酰亞胺的填充改性研究進展[J].化工新型材料,2010,5:17-18.

[2] 薛晶.碳化硅短纖增強PMR型聚酞亞胺復合材料成型加工與表征[D].上海:東華大學紡織學院,2010.

Different fillers modified PI composite mechanical testing and analysis

Peng Huifen1,Wang Peng2,Wang Cheng2
(1.Mechanical Science and Engineering, Northeast Petroleum University,163318；2.Daqing Oilfield Drilling Engineering Company Limited Liability Company,163453)

This paper analyzes the added SiC fibers in the PI,CF,Al2O3 fiber friction and wear properties of PI,hardness,mechanical properties affected.

PI composites;SiC fibers;tests

彭惠芬（1968-），女，博士，副教授。研究方向：有限元及復合材料數值分析。

黑龍江省應用技術研究與開發計劃項目（重大），項目編號：GA13A402