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摘 要

聚合物基复合材料(PMC)，如聚醚醚酮(PEEK)、聚四氟乙烯(PTFE)、聚酰亚胺(PI)等，由于具有耐磨、耐腐蚀、低噪音、质量轻等众多优点而被广泛用在动密封元件中。然而，PMC摩擦系数偏大，高速、高压条件下容易使摩擦面产生大量的热量，导致摩擦面温度急剧升高并超过材料允许的使用温度，使得材料失效。使用过程中常通过加入少量润滑油来降低PMC的摩擦系数，例如在无油润滑压缩机实际运行中，常在PEEK活塞环摩擦界面滴加少量的润滑油，从而大幅提高活塞环工作寿命。针对PMC动密封材料，选择正确的润滑剂及润滑方式是实现其在高速高压条件下稳定运行的关键。

朱家华师兄研究了润滑油的加入对聚合物摩擦性能的影响，发现润滑油的加入大大改善了聚合物摩擦学性能。而作为具有优异的润滑性能的离子液体，我们完全可以将离子液体用于聚合物复合材料中。

本文选取了三种离子液体、二甲基硅油(S201)、聚乙二醇(PEG)、抗磨液压油(L-HM46)等润滑剂，加入到聚合物(PEEK)/钢摩擦副系统中，对比不同润滑剂的润滑效果，同时与聚合物基复合材料(PMC)/钢在干磨条件下的摩擦学性能进行比较。研究发现，低载荷下(~400N)润滑剂的加入明显提高了聚合物(PEEK)/钢摩擦副系统摩擦学性能；高载荷下(~1500N)抗磨液压油(L-HM46)、聚乙二醇(PEG)已起不到润滑效果，反而降低聚合物本身摩擦学性能，而离子液体、二甲基硅油(S201)依然表现出很好的润滑效果。

关键词：聚合物 聚醚醚酮 聚四氟乙烯 离子液体 二甲基硅油 聚乙二醇

抗磨液压油 润滑 摩擦学性能

An oil bearing polymer / steel friction system with ultra-low

friction coefficient

Abstract

Polymer matrix composites (PMC), such as polyetheretherketone (PEEK), polytetrafluoroethylene (PTFE), polyimide (PI) and so on, has the advantages of wear resistance, corrosion resistance, low noise, light weight and many other advantages are widely used in the dynamic seal element. However, the friction coefficient of PMC is too high, and the friction surface would produce a lot of heat in high-speed, high-pressure conditions, the friction surface temperature would increase rapidly until break the temperature limit, finally led to a failure of the material. We could add a small amount of lubricating oil to reduce the friction coefficient of the PMC, such as we often drop some lubricating oil on the PEEK piston ring friction interface under non oil lubricated compressor in the actual operation, thereby significantly improved the working life of the piston ring. For the PMC dynamic sealing material, the key to the stable operation of the high speed and high pressure condition is to choose the correct lubricant and the lubrication way.

Jiahua Zhu senior studied the influence of oil added to the composite on its tribological property, he found that oil can greatly improve the tribological property of polymer composite. As the ionic has an excellent lubricating property, we can use it to improve the tribological property of the composite.

This paper selects three kinds of ionic liquids, dimethyl silicone oil (S201), polyethylene glycol (PEG) and antiwear hydraulic oil (L-HM46) etc. lubricants, added to the polymer (PEEK) / steel friction system, making a comparison of different lubricants lubrication effect, also compared with the tribological properties of polymer matrix composite (PMC) / steel in dry friction condition. Study found that lubricant in low loaded (~400N) conditions obviously improved the tribological performance of polymer (PEEK) and steel friction system; under high load ~1500N anti-wear hydraulic oil (L-HM46) and polyethylene glycol (PEG) has already got lubrication

effect, and it would reduce the tribological performance of polymer instead, but ionic liquids and dimethyl silicone oil (S201) still got a good lubricating effect.

Key Words: composite; PEEK; PTFE; ionic liquid; dimethyl silicone oil; PEG; antiwear hydraulic oil; lubrication; tribological property

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 课题背景及工作基础 1

1.2 摩擦学的研究意义 2

1.3 聚合物基复合材料 2

1.4 聚合物基复合材料的摩擦性能 3

1.5 聚合物基复合材料的物理化学性质 4

1.6 聚醚醚酮、聚四氟乙烯、聚酰亚胺复合材料 4

1.6.1 颗粒填充 4

1.6.2 纤维增强 4

1.6.3 表面改性 5

1.6.4 聚合物共混改性 5

1.7 离子液体 5

1.7.1 离子液体简介 5

1.7.2 离子液体的摩擦性能 5

1.8 甲基硅油简介 6

1.8.1甲基硅油的优点 6

1.8.2甲基硅油的缺点 7

第二章 实验部分 8

2.1 材料的制备 8

2.1.1 复合材料制备所用原料和仪器 8

2.1.2 复合材料制备过程 9

2.2 实验方法 9

2.2.1 摩擦磨损性能测试 9

2.2.2 摩擦系数的计算 11

2.2.3 磨损率的计算 11

第三章 实验结果与讨论 12

3.1 PEEK基聚合物复合材料在不同条件下（内润滑剂、外润滑剂）的摩擦磨损性能 12

3.2不同润滑剂对PEEK/stainless steel摩擦副摩擦学性能的影响 13

3.2.1内润滑剂的摩擦学性能 13

3.2.2不同外润滑剂的粘度及接触角数据 14

3.2.3不同外润滑剂的摩擦学实验 16

3.2.4理论基础 18

第四章 结论和展望 20

4.1 结论 20

4.2 展望 21

符号说明 22

参考文献 23

致 谢 26

第一章 绪论

1.1 课题背景及工作基础

在相互作用的表面之间作相对运动时，一定会伴随着摩擦出现。在机械工程中，如摩擦传动、摩擦离合器、摩擦式制动器和螺纹联接等的可靠性以及各种车辆的运输能力都取决于摩擦大小^[1]。

聚合物基复合材料(PMC)，如聚醚醚酮(PEEK)、聚四氟乙烯(PTFE)、聚酰亚胺(PI)等，由于具有耐磨、耐腐蚀、质量轻、低噪音等众多优点而被广泛用在动密封元件中^[2]。然而，PMC摩擦系数偏大，高速、高压条件下容易使摩擦面产生大量的热量，导致摩擦面温度急剧升高并超过材料允许的使用温度，使得材料失效^[3-4]。使用过程中常通过加入少量润滑油来降低PMC的摩擦系数，例如在无油润滑压缩机实际运行中，常在PEEK活塞环摩擦界面滴加少量的润滑油，从而大幅提高活塞环工作寿命。Sinha^[5]采用MAC润滑剂在PEEK表面形成超薄液膜，使得摩擦系数由干磨擦条件下的0.35降低至0.08~0.1。针对PMC动密封材料，选择正确的润滑剂及润滑方式是实现其在高速高压条件下稳定运行的关键。

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