薄层纤维织物复合材料界面结构的强化建构及其摩擦学性能研究

A new mild, fast and environment-friendly sol-gel method is introduced to construct zirconium phosphate particles on the KEVLAR and PBO fabric surfaces, which are used as two-dimensional templates. Then the modified fabric and resin are used to prepare zirconium phosphate / fabric composites. The effect of surface microstructure on the interface structure of composites, the thermodynamic performances and tribological properties are discussed. Furthermore, the interface strengthening mechanism, the micro-defect transfer mechanism, the wear failure mechanism and evaluation methods of tribological properties are studied and to lay a foundation of further study on the fabrication and application of the fabric composites in aeronautic and astronautic applications.

本项目以KEVLAR和PBO纤维织物为二维模板，利用一种温和、快速、环境友好的溶胶-凝胶技术，在纤维织物表面构筑微尺度的磷酸盐颗粒形成新型的表面结构，对薄层纤维织物复合材料进行功能化改性。同时，深入研究表面微结构对复合材料界面结构及其热力学性能和摩擦学性能的影响，建立复合材料的界面强化机制、微观缺陷传递机制、减摩抗磨机制以及摩擦学性能评价方法，最终为薄层纤维织物复合材料的制备技术发展及其在国防尖端技术领域的应用奠定基础。

薄层纤维织物复合材料具有低摩擦、耐磨损、高承载、免维护以及安全可靠性高等优点，在很多高新技术领域均有应用。随着应用领域的不断拓展，其在高温、高载条件下的性能受到越来越多的关注。本项目首先选取了单一的耐热材料二硼化锆，研究其对薄层纤维织物复合材料耐热性能和摩擦学性能的影响。研究发现：二硼化锆可以明显提高薄层纤维织物复合材料的耐热性能；在不同载荷和温度条件下，9 wt.%二硼化锆均可以提高复合材料的抗磨性能；二硼化锆无法提高复合材料的减摩性能。单一材料无法同时改善薄层纤维织物复合材料的减摩、抗磨性能。本项目采用原位烧结法将两种传统润滑材料进行杂化，改变单一材料的微观结构，研究其对薄层纤维织物复合材料摩擦学性能的影响。研究发现：原位烧结法成功地将Mo2C颗粒负载到石墨烯表面，形成杂化材料Mo2C/graphene； Mo2C/graphene可以同时提高薄层纤维织物复合材料的减摩性能和抗磨性能，Mo2C和石墨烯的混合物却不能。填充材料表面微观结构的改变对复合材料的性能有一定的影响，复合材料界面结构的改变对其性能将会有更为重要的影响。本项目采用联合多巴胺和硅烷偶联剂改性薄层纤维织物复合材料，研究该改性方法对复合材料界面结构和摩擦学性能的影响。研究发现：在薄层纤维织物表面先后接枝多巴胺和氨基硅烷偶联剂，成功地实现了复合材料界面结构的强化建构；界面结构的优化抑制了微观裂纹的萌生和扩展，提高了复合材料的拉伸性能和粘结性能；界面结构的优化从本质上影响着复合材料对载荷的响应，明显的提高了复合材料的抗磨性能。