【期刊】论文介绍：成型工艺对多孔PI材料摩擦学及力学性能影响 | 材料工程

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研究背景

    聚酰亚胺（PI）是一种主链上含有酰亚胺环的有机高分子材料，因具有耐高低温、耐辐照及良好的力学性能等优点，在航空、航天等领域有着广泛的应用前景。同时聚酰亚胺是一种无需添加造孔剂也可以制备多孔材料的聚合物，多孔PI材料的内部分布着均匀的孔洞结构，这种孔洞结构能够存储润滑油，当受到压力的作用或者随着温度升高时，可以连续稳定地向摩擦副表面提供润滑油；在停止工作时，又会把润滑油吸入孔洞结构中，防止润滑油的流失。因此在贫油工作状态下，多孔材料能发挥良好的润滑作用，可以长时间不加油，并减少润滑油污染。诸多学者对多孔PI材料的含油性能和摩擦学性能进行了深入研究，但有关多孔PI材料力学性能的研究较少，且在试样制备时很少考虑到制备工艺对材料综合性能的影响。本工作通过正交实验研究了成型工艺对多孔PI材料含油性能、摩擦因数、拉伸强度和冲击强度的影响，并综合考虑冲击强度和甩油后摩擦因数，对成型工艺进行了优化。

研究结果

    采用冷压定容烧结法制备多孔PI材料的影响因素主要为密度、烧结温度和保温时间，故采用四因素三水平正交表设计实验，各因素对应的水平如表1所示。根据表1中的理论密度和模具容积计算得出所需加入的PI粉末质量，经过冷压定容烧结制得的试样如图1所示。

    图2为正交实验中1号、4号和7号试样表面的SEM照片，可以清楚地观察到试样表面微孔分布较为均匀，随着试样密度的减小，表面孔的尺寸越来越大。这些微孔能够存储润滑油，从而降低材料摩擦因数。

图3（a）所示为试样真空浸油后的含油率测试结果，其中1号、2号、3号试样含油率明显较低，4号、5号、6号试样含油率在30%左右，而7号、8号、9号试样含油率高达60%左右。结合正交设计中的成型工艺，发现其含油率变化主要受密度大小影响，当密度逐渐减小时，试样孔洞尺寸明显增大，使得含油率随之增大。烧结温度与保温时间对试样的含油率影响较小。

含油后的试样经过3000 r/min离心甩油，得到含油保持率变化图，如图3（b）。密度最高的1号、2号、3号试样含油保持率较高，在甩油60 min后含油率基本稳定；4号、5号、6号试样含油率在甩油90 min后也基本达到稳定状态；密度最小的7号、8号、9号试样含油保持率较低，并且在经过甩油120 min后，含油保持率仍然呈小幅度下降趋势。其次在相同密度，不同烧结温度的情况下：保温时间为60 min的1号、6号、8号试样含油保持率较低，保温时间为120 min的3号、5号、7号试样含油保持率较高。

    图4（a）、（b）和（c）所示为1号、4号和7号试样的摩擦因数变化曲线，含油前三组试样摩擦因数均较大，波动较为明显，试样含油后摩擦因数大幅度降低并且始终处于稳定状态，说明在摩擦实验过程中，含油后的孔洞能够持续向摩擦表面提供润滑油，起到良好的润滑效果。甩油后试样的摩擦因数有所上升，但仍然远低于其干摩擦因数。各试样干摩擦因数、含油后以及甩油后摩擦因数在60 min内的平均值如图4（d）所示，在干摩擦情况下，试样的平均摩擦因数较大，均在0.25以上，密度最小的7号、8号和9号试样的干摩擦因数高于0.4。试样含油后的摩擦因数均明显下降，平均摩擦因数均在0.12以下，其中4号试样最低，平均含油后摩擦因数为0.079。离心甩油两小时后，试样的摩擦因数轻微上升，平均摩擦因数均在0.15以下。

对棒状试样的拉伸强度和冲击强度进行均值分析，分析结果如图5所示。多孔PI材料拉伸强度冲击强度均随着密度的减小而明显降低。烧结温度对拉伸强度的影响不大，冲击强度随着烧结温度的升高而增大。

观察图6试样断口SEM照片，可以得出密度大的试样，孔洞支架密集，断裂点数量明显较多，这也是其冲击强度较高的主要原因。不同密度的多孔PI材料均可在60 min内烧结成型，并保证材料强度。

按照甩油后摩擦因数和冲击强度各占50%的权重，对工艺参数进行了优化。采用优化后工艺参数制备试样，测得其含油率为12.0%，甩油两小时后含油保持率为68.4%，摩擦因数随时间变化曲线如图7（a）所示，甩油后摩擦因数为0.092，低于优化前各试样的甩油后摩擦因数。冲击强度为105.9 kJ/m²，接近正交实验中的最高值。拉伸应力应变曲线如图7（b）所示，拉伸强度为74.2 MPa，线性拟合得到弹性模量为1.12 GPa，均高于优化前试样的强度。

结论

本文较全面的研究了冷压定容烧结成形工艺对多孔PI材料性能的影响规律，并通过优化成型工艺，提高了材料性能。在本实验参数下得出的结论为：

（1）多孔PI材料的密度越小，含油率越高，但摩擦因数并不随含油率的上升而减小，且拉伸强度、弹性模量和冲击强度明显降低，因此在设计多孔含油摩擦材料时，应根据实际工况综合考虑材料的含油率和力学性能。

（2）烧结温度对多孔PI材料摩擦因数和拉伸强度的影响较小，但材料的冲击强度随烧结温度的升高而增大。

（3）相同密度下保温时间为60 min试样甩油后的摩擦因数相对较低，保温时间为120 min试样的摩擦因数较高，这说明较长的保温时间不利于降低摩擦因数，试验结果表明保温60 min即可保证材料的力学性能，并能获得较低的摩擦因数。

原文出处：

成型工艺对多孔PI材料摩擦学及力学性能影响

叶锦宗，李锦棒，周宁宁，曹均，卿涛，蒋世宇，于爱兵

《材料工程》2020, 48(9): 144-151

Doi:10.11868/j.issn.1001-4381.2019.001205

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