多孔聚酰亞胺復(fù)合保持架材料環(huán)境適應(yīng)性研究

李媛媛，楚婷婷，孫小波

(洛陽軸研科技股份有限公司 非金屬材料開發(fā)部，河南 洛陽 471039)

多孔聚酰亞胺(PI)復(fù)合保持架具有孔徑孔隙率可調(diào)控、耐磨自潤滑、強度高、耐輻射等優(yōu)點，經(jīng)真空浸油后廣泛應(yīng)用于長壽命航天器用陀螺電機軸承、導(dǎo)航儀、動量輪軸承[1]。

多孔PI復(fù)合材料屬于高分子復(fù)合材料，使用該材料保持架的軸承地面存儲時間一般為5～10年或更長，在庫存條件下，因溫度和水分的影響，多孔PI復(fù)合材料易出現(xiàn)大分子降解和交聯(lián)反應(yīng)的老化現(xiàn)象[2]，使其理化性能、力學(xué)以及摩擦學(xué)性能發(fā)生變化，從而影響保持架的使用性能，導(dǎo)致軸承乃至主機的可靠性降低。而材料的耐老化性能是決定系統(tǒng)長期使用可靠性的重要環(huán)節(jié)。

下文采用高溫老化的試驗方法，初步研究了在不同環(huán)境溫度下放置一段時間后，該材料的微觀結(jié)構(gòu)和宏觀性能的變化。

1 試驗

1.1 樣品

按照文獻[3]中的工藝制備出孔隙率為20%±2%的原材料，依據(jù)Q/ZYS J064—2013《多孔聚酰亞胺保持架胚料檢驗規(guī)范》和GB/T 1043.1—2008《塑料簡支梁沖擊性能的測定 第一部分：非儀器化沖擊試驗》，分別加工用于進行拉伸強度和沖擊韌度測試的試樣(共44組，每組3個)，摩擦試驗的試樣與拉伸強度的相同。

1.2 試驗方法

參照GB/T 2918—1998《塑料試樣狀態(tài)調(diào)節(jié)和試驗的標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境》，將經(jīng)過狀態(tài)調(diào)節(jié)的試樣置于熱老化試驗箱中進行老化試驗，試驗溫度分別為50，100，150和200 ℃，采樣周期為3 d，老化時間為30 d。取出試樣，再經(jīng)過狀態(tài)調(diào)節(jié)后進行性能測試：

(1)玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg，采用NETZSCH 200F3差示掃描量熱儀進行測試。

(2)熱重TG和紅外光譜，分別采用NETZSCH STA 449C熱重-差熱連用儀和Spextrum 100傅里葉變換紅外光譜儀進行測試。

(3)拉伸強度和沖擊韌度，分別采用DNS-200型電子萬能試驗機(拉伸速度為5 mm/min)和XJJD-50電子簡支梁沖擊試驗機進行測試。

(4)摩擦因數(shù)和磨損量，用φ4 mm的鋼球往復(fù)干摩擦，往復(fù)距離5 mm，施加載荷20 N，頻率10 Hz，采用CFT-1型材料表面性能綜合測試儀進行測試。

2 結(jié)果與討論

2.1 微觀性能

對材料進行狀態(tài)調(diào)節(jié)(在23 ℃，50%的濕度下放置88 h)后，高溫老化前試樣的TG曲線如圖1所示。從圖中可以看出，溫度為130 ℃時，TG值為98.86%，材料重量損失率為1.14%，這主要是由于材料在庫存條件下長時間放置和狀態(tài)調(diào)節(jié)后，表面及分子間所吸附的水分蒸發(fā)所致；溫度為130～500 ℃時，重量幾乎無變化，說明材料的耐老化性能良好；溫度達到500 ℃時，TG值為98.6%，材料的重量損失率為1.4%，這主要是由于材料出現(xiàn)部分裂解所致。

圖1 老化前試樣的TG曲線

材料在高溫老化過程中，可能會發(fā)生熱分解、降解。高溫老化試驗前和200 ℃下老化30 d后試樣的紅外譜圖如圖2所示。從圖中可以看出，老化前后特征峰位置和相對峰高均無明顯變化，未發(fā)現(xiàn)老化后的紅外譜圖中出現(xiàn)新的特征峰，表明該材料未發(fā)生熱分解或降解反應(yīng)。

圖2 老化前后試樣的紅外譜圖

在不同溫度下，材料經(jīng)過熱老化試驗后的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg見表1。從表中可以看出，老化前和不同熱老化條件下材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度幾乎沒有變化。老化前和在200 ℃下老化30 d后材料的DSC對比曲線如圖3所示。由于PI為非結(jié)晶高分子材料，因此無熔點，只有熔融溫度范圍。由圖可知，熱老化試驗前后玻璃化轉(zhuǎn)變溫度未發(fā)生明顯變化。

表1 不同老化溫度下的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度 ℃

圖3 老化前后試樣的DSC曲線

高分子材料老化的本質(zhì)主要有2種：(1)材料發(fā)生了降解、交聯(lián)等不可逆的化學(xué)反應(yīng)，使其結(jié)構(gòu)發(fā)生變化；(2)材料在玻璃化轉(zhuǎn)變溫度以下的儲存過程中，從熱力學(xué)的非平衡態(tài)通過鏈段的微布朗運動向平衡態(tài)過渡。在這些過程中，材料的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)都會發(fā)生不同程度的變化，在DSC曲線上表現(xiàn)為玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg降低，或是出現(xiàn)一個老化吸熱峰。試驗結(jié)果表明，DSC曲線未出現(xiàn)新的吸熱峰，Tg也未發(fā)生變化，因此，在高溫老化試驗中，材料未發(fā)生老化現(xiàn)象。

通過微觀結(jié)構(gòu)的分析可知，該材料的熱穩(wěn)定性較好，表明該材料的環(huán)境適應(yīng)性也較好。

2.2 力學(xué)性能

老化溫度為50，100，150和200 ℃時，材料的拉伸強度和沖擊韌度隨老化時間的變化規(guī)律分別如圖4和圖5所示。由圖可知，材料的拉伸強度和沖擊韌度上下浮動保持在15%之內(nèi)，基本穩(wěn)定，表明材料在200 ℃以下有較好的耐老化性能。

圖4 拉伸強度隨老化時間的變化規(guī)律

圖5 沖擊韌度隨老化時間的變化規(guī)律

2.3 摩擦學(xué)性能

不同老化溫度下，材料的摩擦因數(shù)和磨損量隨老化時間的變化規(guī)律分別如圖6和圖7所示。由圖可知，材料的摩擦因數(shù)保持在0.3左右，磨損量基本保持在0.05 mm3左右。從總體趨勢而言，摩擦學(xué)性能變化不大。

圖6 摩擦因數(shù)隨老化時間的變化規(guī)律

圖7 磨損量隨老化時間的變化規(guī)律

高溫老化過程中的化學(xué)變化會使材料的分子結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，導(dǎo)致材料的塑化程度降低，剛性、脆性提高，自由體積收縮，引起物理、力學(xué)性能的變化。而在不同溫度下經(jīng)過30 d高溫老化之后，材料拉伸強度、沖擊強度和摩擦性能都沒有明顯變化，表明材料并未發(fā)生老化，其高溫環(huán)境適應(yīng)性良好，這一結(jié)果與微觀性能結(jié)果相一致。

3 結(jié)論

TG分析表明多孔PI復(fù)合材料的耐熱性良好；紅外光譜分析證明經(jīng)過高溫老化試驗后，該材料未發(fā)生熱分解或降解；DSC分析證明材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度未發(fā)生明顯變化；通過拉伸、沖擊、摩擦測試表明該材料的力學(xué)性能和摩擦性能無明顯變化，而且在不同溫度下該材料具有良好的適應(yīng)性。