【摘要】 聚酰亞胺(PI)是一種力學性能優(yōu)異的自潤滑高分子材料，可用于制造軸瓦零件，但是其摩擦學性能和力學性能受諸多因素的影響。成型工藝條件對PI基制件的力學性能和摩擦學性能影響至關重要。本文中使用熱模壓工藝成型PI制件，利用正交試驗法研究了各工藝參數(shù)對PI力學性能的影響，通過對試驗數(shù)據(jù)的非線性曲面擬合運算得出了使PI具有最佳力學性能的工藝參數(shù)組合。利用摩擦學試驗機評價PI的摩擦學性能，研究了成型工藝條件、載荷、滑動速度對PI摩擦系數(shù)、磨損率的影響規(guī)律，觀察其磨損表面形貌，探討磨損機理。在以上研究基礎上設計了PI半環(huán)軸瓦成型模具，根據(jù)軸瓦成型效果進一步優(yōu)化了成型工藝，并研究了配副粗糙度對PI半環(huán)軸瓦摩擦學性能的影響。研究結果表明：熱模壓成型工藝參數(shù)與PI制件力學性能和摩擦學性能有明顯關聯(lián)，其中成型溫度對其力學性能及摩擦學性能影響最為顯著；保壓時間和成型壓力對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PI耐磨性能和減摩性能影響明顯，具有較強相關性。PI半環(huán)軸瓦熱模壓成型工藝中，厚度與保壓時間關聯(lián)明顯。在不同配副表面粗糙度條件下，PI軸瓦摩擦學性能有較大差異。 

第1章 緒 論

1.1 聚酰亞胺概述
20 世紀中葉，隨著宇航、導彈、電器和交通運輸?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、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構強度的新型高分子材料，此時，一類分子結構主要以芳環(huán)和雜環(huán)為組成單元的高聚物材料應運而生，優(yōu)異的耐高溫性能是這類高聚物突出特點之一，它們的出現(xiàn)大大提高了高分子復合材料的使用溫度。那一時期涌現(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比被廣泛關注和研究[1]。其中聚酰亞胺(PI)是被美國化學文摘主題期刊單獨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)結構，突出的化學穩(wěn)定性和耐輻射性能是其他高聚物材料無法比擬的，在汽車發(fā)動機、油泵、耐高溫電子儀表、電路板印刷等領域得到廣泛應用[3-5]。1908 年 Bogert等人在試驗室條件下，成功實現(xiàn)了 4-基鄰苯二甲酸酐在熔融狀態(tài)下的自縮聚反應，首次合成了聚酰亞胺[6]。直到 1955 年，美國科學家 Robison 和 Edwards 申請了世界上首個關于聚酰亞胺應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 年法國科學家首次成功開發(fā)出雙馬來酰亞胺預聚體，該聚合物在固化時無副產(chǎn)物氣體產(chǎn)生，易成型，良好的加工性能，制品密實無氣孔，是高性能復合材料的理想基體樹脂[8]。70 年代，美國航空航天局為了改善聚酰亞胺的加工性能以更好的應用于飛行器開發(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明顯的軟化現(xiàn)象，流動性能很差，很多熱固性線形聚酰亞胺即使加熱到分解也不會出現(xiàn)明顯的軟化，這是由聚酰亞胺分子結構的特點決定的，對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是對物料的流動性要求很低，能夠克服熱固性聚酰亞胺流動性差等缺點，但模壓成型工藝生產(chǎn)周期長，模壓毛坯一般要進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，主要用于高溫無潤滑軸承的制造[21]。文獻[22]針對共聚聯(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其拉伸性能的影響，結果表明：模壓溫度、模壓壓力和模壓時間均對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，韌性差，熱成型溫度高，不易被機加工成型，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碳纖維增強型PI復合材料力學性能和摩擦學性能的影響，結果表明注射成型的 PI 復合材料的各項力學性能都要優(yōu)于熱模壓成型工藝，具有較高的斷裂強度和斷裂伸長率，但熱模壓成型試樣具有更加優(yōu)異的摩擦學性能。
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第2章 試驗方案及試驗結果分析方法

2.1 試驗方案設計
本論文主要針對成型工藝參數(shù)對 PI 力學性能和摩擦學性能的影響進行研究，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，開展正交實驗，運用極差分析和非線性曲面擬合分析正交實驗數(shù)據(jù)，探索成型工藝參數(shù)對 PI 制樣力學性能的影響，得出最佳工藝參數(shù)組合。利用摩擦學試驗機評價 PI 的摩擦學性能，研究熱模壓工藝參數(shù)、滑動速度和載荷對 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理。然后參考以上實驗成果設計 PI 軸瓦成型模具，制備 PI 軸瓦，并研究配副表面粗糙度對 PI 軸瓦摩擦學性能的影響規(guī)律。本試驗主要包括以下四大部分：
(1)熱模壓成型 PI 試樣。PI 模塑粉通過采購獲取，然后參考相關文獻選取合適的成型工藝參數(shù)，主要包括成型溫度、成型壓力和保壓時間，利用真空熱模壓機對其制備成型。
(2)PI 力學性能評價試驗。開展正交試驗，利用萬能試驗機評價不同工藝參數(shù)下制備的 PI 制樣的拉伸強度和彎曲強度，根據(jù)極差分析法及數(shù)據(jù)擬合運算結果確定一組使 PI 具備最佳力學性能的工藝參數(shù)。
(3)PI 摩擦學試驗。運用 CETR 摩擦磨損試驗機，評價不同工藝參數(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，分析磨損機理，探索其作用規(guī)律。
(4)設計 PI 軸瓦成型模具，根據(jù)軸瓦成型效果探索工藝參數(shù)與制件結構之間的關聯(lián)，優(yōu)化熱模壓工藝參數(shù)，并研究配副表面粗糙度對 PI 摩擦學性能的影響，觀察配副磨損表面，探討磨損機理。
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2.2 主要試驗材料
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，導致冷卻過程中相互粘結部分會產(chǎn)生較大的應力，影響 PI 制樣表面質(zhì)量，甚至會出現(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滑劑[37]，在高溫下具有更加優(yōu)異的潤滑性能，常用于高溫脫模劑，本試驗中選擇由東莞市佳丹潤滑油有限公司山產(chǎn)的氮化硼離型噴霧劑，型號為 JD-3028，試驗中噴涂在模具表面，能夠有效防止 PI 和模具表面粘結，更易脫模。
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第 3 章 熱模壓成型工藝參數(shù)對 PI 力學性能的影響..........18
3.1 引言 ....... 18
3.2 正交試驗方案 ....... 18
3.3 試驗結果與討論 ........... 18
3.3.1 各工藝參數(shù)對 PI 力學性能的影響 ....... 19
3.3.2 熱模壓最佳工藝參數(shù)..... 21
3.3.3 本章小結......... 23
第 4 章 熱模壓成型 PI 摩擦學性能研究......24
4.1 引言 ....... 24
4.2 熱模壓工藝參數(shù)對 PI 摩擦學性能的影響 ......... 24
4.3 摩擦工況對 PI 摩擦學性能的影響 ..... 39
4.4 本章小結 ....... 47
第 5 章 PI 半環(huán)軸瓦成型工藝研究.......49
5.1 引言 ....... 49
5.2 成型模具設計 ....... 49
5.3 軸瓦成型效果分析 ....... 51
5.4 本章小結 ....... 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、免維護等優(yōu)點，得到廣泛應用。PI 軸瓦相對板材類零件結構更加復雜，對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 PI 力學性能和摩擦學性能的影響，得出一組使 PI 具有最佳力學性能的工藝參數(shù)，清楚了工藝條件對 PI 摩擦磨損性能的影響規(guī)律。本章擬在前期工作的基礎上，設計一種軸瓦熱模壓成型模具，制備 PI 軸瓦，進一步優(yōu)化成型工藝。同時通過摩擦學實驗探索配副粗糙度對 PI 軸瓦摩擦學性能的影響。考慮到 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，脫模過程中會對其內(nèi)表面造成破壞，同時還會對 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)生粘結現(xiàn)象，所以本章試驗中采用金屬模具對 PI 軸瓦進行熱壓成型。

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結 論

本文利用真空熱壓設備實現(xiàn)了 PI 模塑粉的燒結成型，在大量探索試驗的基礎上對其成型工藝進行了優(yōu)化。以熱模壓工藝參數(shù)為研究對象，開展正交試驗，確定了工藝參數(shù)對 PI 力學性能的影響；通過評價不同工藝參數(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 PI 摩擦學性能的影響；系統(tǒng)對比了不同載荷、滑動速度下 PI 的摩擦學性能，通過擬合運算研究了摩擦工況對 PI 摩擦學性能的影響規(guī)律；設計了 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其摩擦學性能的影響。主要得出的結論如下：
(1)正交試驗結果顯示成型溫度、成型壓力、保壓時間對 PI 力學性能均有影響，其中成型溫度為對力學性能的影響最為顯著。通過對試驗數(shù)據(jù)的非線性曲面擬合運算得出在 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 時間范圍內(nèi)，延長保壓時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，隨著滑動速度的增大摩擦系數(shù)呈線性減小，磨損率線性增大。高速和低速滑動下，PI 摩擦系數(shù)均隨 P 的增大呈線性增大趨勢。
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參考文獻（略）