[发明专利]一种耐疲劳磨损复合材料及其制备方法和应用

说明书

一种耐疲劳磨损复合材料及其制备方法和应用，属于高分子复合材料领域，该复合材料的具体微观结构为微米级短纤维在基体中呈均匀分布；纳米级颗粒在基体中呈现两种不同的分布，一部分富集在微米级短纤维周围，与微米级短纤维一同均匀分布在基体中，另一部分均匀分布在微米级短纤维之间的基体中，富集在微米级短纤维周围的纳米颗粒密集度大于分布在微米级短纤维间的密集度，在基体中呈局部密集分布。本发明的技术方案，可以使复合材料中的微米纤维和纳米颗粒呈现出一种协同效应，在滑动摩擦中表现出优异的耐疲劳磨损性能，有效提高诸如动态密封等需要长效服役的滑动摩擦产品的使用寿命。

技术领域

本发明属于高分子复合材料领域，具体涉及一种耐疲劳磨损复合材料及其制备方法和应用。

背景技术

无机填料作为分散相以独立的形态分布于整个基质相中，可以赋予复合树脂良好的物理机械性能，如耐磨性，并减少树脂的聚合收缩，降低热胀系数，某些填料还具有遮色和X线阻射的作用。无机填料的种类、量和粒径大小及表面处理等对复合树脂的性能均产生很大的影响。其中碳纤维以其高强度和高模量等优异性能成为一种重要的无机增强填料广泛应用于高分子复合材料。

碳纤维增强复合树脂是由树脂基质和碳纤维增强物组成的高分子复合材料，具有低密度、高强度、高模量以及耐腐蚀的优点。特别地，当在滑动摩擦的环境下，碳纤维复合材料具有优异的耐磨性能。这归因于碳纤维本身具有优异的耐磨性能，在滑动摩擦过程中碳纤维起到承担主要载荷和耐磨骨架的作用。但是，由于碳纤维的弹性模量高达200GPa以上，而作为基体的高分子材料的弹性模量只有3.5GPa以下。由于巨大的弹性模量差异，在碳纤维复合材料承受载荷时其碳纤维与树脂基体间的界面上就会存在很大的应力集中。在长时间的滑动摩擦过程中，碳纤维会遭受摩擦副表面突起的反复冲击。当纤维界面存在较大应力时，反复的冲击力会引起纤维的界面脱粘、松动、破损和纤维脱落，造成严重的疲劳磨损。疲劳磨损是碳纤维复合材料摩擦磨损中的一种严重的破坏形式，严重影响复合材料的耐磨性能和使用寿命。

发明内容

针对碳纤维复合材料这种疲劳磨损的问题，本发明提出一种耐疲劳磨损复合材料，并提供该复合材料的制备方法和应用。该复合材料由微米级的短纤维和纳米级颗粒共同填充树脂基体组成。采用本发明提出的技术方案，可以使复合材料中的微米纤维和纳米颗粒呈现出一种协同效应，在滑动摩擦中表现出优异的耐疲劳磨损性能，有效提高一些诸如动态密封等需要长效服役的滑动摩擦产品的使用寿命。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明以工程塑料为基体，以微米级短纤维为主增强体，以纳米级颗粒为次增强体，形成一种微纳增强体混杂增强的，且纳米颗粒具有局部密集分布微观结构的耐疲劳磨损复合材料。通过纤维表面处理以及熔融共混工艺控制，使得制备的微纳增强体混杂增强的复合材料具有特殊的纳米颗粒局部密集分布的微观结构。

所述具有纳米颗粒局部密集分布微观结构的耐疲劳磨损复合材料的具体微观结构示意图如图1和图2所示，具体如下：

1)微米级短纤维在基体中呈均匀分布；

2)纳米级颗粒在基体中呈现两种不同的分布，一部分富集在微米级短纤维周围，与微米级短纤维一同均匀分布在基体中，另一部分均匀分布在微米级短纤维之间的基体中，富集在微米级短纤维周围的纳米颗粒密集度大于分布在微米级短纤维间的密集度。

该微观结构在复合材料耐疲劳磨损上的作用主要是通过以下机理体现出来：

1)微米级短纤维作为主增强体在基体中呈现均匀分布，对复合材料基体起到主要增强作用，构成复合材料的承载主体。在摩擦接触表面，暴露突出的微米级短纤维构成耐磨的主体，起到抵抗磨粒磨损的主要作用。