耐磨功能化层状硅酸镍纳米复合材料的构建及其表/界面特性、摩擦磨损机理的研究

How to improve wear resistant properties of polymers is a major problem for improving the service life of polymers. Based on molecular design and microstructure regulation of polymer nanocomposites, functional modified layered nickel phyllosilicate (F-LNS) with multiple wear-resistant functions is synthesized, and then F-LNS /polymer nanocomposites are prepared with good wear-resistant properties. By the study on the relationships of the microstructures of F-LNS and nanocomposites, interfacial properties, friction and wear properties, mechanical and thermophysical properties with physical and chemical changes on the surface of nanocomposites and the formation and evolution transfer film during the friction, the model of friction and wear of nanocomposites is established, and the friction and wear mechanism of F-LNS/polymer nanocomposites with multiple wear resistant functions is revealed . Then the best wear resistant structures of F-LNS and polymer nanocomposites are determined. The project is useful for the development of wear resistant polymer materials with excellent comprehensive properties, and promotes the application of polymer materials in aerospace, shipbuilding, automobile industry and so on. Furthermore, this project provides a new idea for the design of wear-resistant materials , and has important scientific significance.

如何有效提高聚合物耐磨性能是提高聚合物使用寿命的重大问题，本项目从分子设计和聚合物/无机纳米复合材料微观结构调控角度出发，合成具有复合耐磨功能的功能化改性层状硅酸镍(F-LNS)，构建具有良好耐磨特性的F-LNS/聚合物纳米复合材料，实现耐磨要求。研究F-LNS和纳米复合材料微观结构、表/界面特性、摩擦磨损特性以及力学、热物理性能与复合材料表面摩擦过程中物理化学变化、摩擦转移膜的形成过程和演变规律的内在关联性以及相互作用机制，建立复合材料的摩擦磨损模型，揭示复合功能耦合状态下F-LNS/聚合物纳米复合材料摩擦磨损机理，并以此为基础上确定纳米复合材料与F-LNS最佳耐磨结构，开发具备优越综合性能的耐磨聚合物材料，促进聚合物材料在航天航空、船舶以及汽车工业等技术领域中的应用。本项目有助于构建一种“复合功能”耐磨新思路，为新型耐磨技术的设计提供新的思想，具有重要的科学意义。

低强度和高磨损率严重制约了聚合物的广泛应用，研究和发展高抗磨和力学性能优异的聚合物摩擦材料一直是摩擦学领域研究重点。项目选取具有纳米层状耐磨、磁性金属耐磨、硅元素耐磨等多种复合抗磨功能且成分和结构可调的层状硅酸镍(NiPS)为对象，通过分子设计、片层结构修饰和界面结构调控等手段合成了系列NiPS及其纳米杂化体，并引入环氧树脂(EP)获得了纳米复合材料，揭示了减摩和抗磨机理。首先，优化了具有片层堆叠、晶须状和纳米花等不同形貌NiPS可控合成路线，详细考察了所得EP纳米复合材料的构效关系，发现NiPS纳米花的抗磨效果最佳；添加5%可使材料的磨损率大幅下降为0.94×10-5 mm3/(N·m)，比纯EP降低了86.6%；磨损机理分析证实了NiPS纳米花在摩擦过程中解体并析出纳米片层在摩擦区域的富集促进了高性能摩擦转移层的形成，磨损机理从黏着和疲劳磨损转变为磨粒磨损，显著提高了材料的抗磨损能力。其次，用硅烷偶联剂合成了NiPS并进行有机修饰，证实了丰富的有机侧链不但能够增大NiPS的片层间距，更促进了NiPS与EP基体的界面相容，获得了极为优异的抗磨效果，磨损速率进一步下降到了0.36~0.65×10-5 mm3/(N·m)，相比纯EP几乎下降了一个数量级；通过进一步优化有机侧链的种类和NiPS的形貌结构而得到了有机磷改性的NiPS晶须，发现少量添加(不超过5%)不但能显著增强EP纳米复合材料，还能赋予其非常优异的阻燃性能，达到UL-94 V-0等级。最后，以NiPS为基体或作为修饰物发展了系列NiPS纳米杂化体，证实了NiPS与特定纳米材料的有机结合不但能进一步增强EP纳米复合材料的摩擦学性能，更能赋予此类材料良好的增强、阻燃和促进固化等多方面的功效。本项目的执行建立了一种复合功能耐磨新思路，丰富了层状纳米材料的固体耐磨和润滑理论，为开发高性能聚合物耐磨材料提供了理论支撑。