分子尺度均一炭基纳米杂化材料及其摩擦学研究

基于现行炭基纳米复合材料中的纳米相尺寸不均一、高度分散难以实现，制备工艺复杂、周期长、成本高等缺点，本项目利用新型聚合方法-"双胞胎聚合"，合成出体系高度均一的聚糠醇纳米杂化材料，并以此为炭化前驱体，制备成本低、工艺简单、具有分子尺度均一结构的高性能炭基纳米杂化材料。此方法完全摆脱了传统的纳米材料填充工艺，而且与表面改性纳米粒子原位聚合制备方法也完全不同，是利用一种单体、一步聚合、一步成型炭化制备出纳米粒子增强的炭基材料，其纳米结构是真正意义上的"原位生成"。通过本项目的研究，得到炭基纳米杂化材料的简单制备技术以及提高炭基材料力学和摩擦学性能的方法，发现炭基纳米杂化材料不同工况下摩擦磨损行为及失效机制和结构与性能关系的规律。这些研究对于工艺简单、低成本、高性能新型炭材料的合理开发及应用都具有重要的实际意义。

本项目利用双胞胎聚合方法，合成出高度均一的聚糠醇纳米杂化材料，并以此为炭化前驱体，制备成本低、工艺简单、具有分子尺度均一结构的炭基纳米杂化材料。研究前驱体的合成条件、纳米结构、界面、炭化条件以及杂化材料的摩擦磨损性能，探明炭基纳米杂化材料的组分、结构与摩擦磨损性能的关系。通过本项目的研究，明确炭基纳米杂化材料在不同工况下的摩擦与磨损机理，掌握分子尺度均一炭基杂化材料制备的条件与过程，为低成本高性能炭材料的制备提供一种新的技术与方法。本项目主要研究内容如下：（1）利用硅酸乙酯与糠醇作为原材料，对合成条件进行深入研究，制备出无机杂化单体，（2）研究了杂化单体的溶液聚合及熔融聚合的反应条件，制备出聚合物/无机杂化材料，通过高温裂解炭化制备出分子尺度均一结构的炭基纳米杂化材料。（3）研究了其作为摩擦材料在不同工况下的摩擦学性能及其失效机理。试验结果表明，反应温度及真空度影响无机杂化单体的纯度，不同的聚合条件影响杂化单体的聚合速率及聚合状态。另外，无机杂化单体的纯度不但会明显影响聚合产物，也会对杂化材料的均一性产生影响，从而影响其摩擦磨损性能。有关炭基纳米杂化材料作为摩擦材料的报道较少，我们期望所得研究结果能够为发展新型炭材料提供理论依据。