[发明专利]一种纳米粒子和碳纤维织物增强聚酰亚胺耐磨材料及其制备方法

说明书

本发明提供了一种纳米粒子和碳纤维织物增强聚酰亚胺耐磨材料的制备方法，是将碳纤维织物剪切后先用丙酮浸泡、超声清洗、晾干等离子体处理后，反复在以间甲酚溶剂为介质的聚酰亚胺、纳米碳化铌球磨胶液中浸渍，使得胶液均匀涂抹在碳纤维织物表面，烘干后热压成型，得到纳米粒子和碳纤维织物增强聚酰亚胺耐磨材料。由于纳米碳化铌高熔点、高硬度特点，使其与碳纤维织物复合增强聚合物，可以提高摩擦转移膜的承载能力，并且可缩短摩擦材料到达“稳态阶段”的时间，显著提高材料初始阶段的抗磨损性能，从而延长使用寿命。摩擦学性能指标显示，本发明制备的聚酰亚胺耐磨材料的磨痕宽度≤3.50mm；到达“稳态阶段”的时间为4~8min。

技术领域

本发明涉及一种碳纤维织物增强聚酰亚胺耐磨材料，尤其涉及一种纳米粒子和碳纤维织物增强聚酰亚胺耐磨材料及其制备方法，属于复合材料领域和耐磨材料领域。

背景技术

聚酰亚胺是综合性能最佳的有机高分子树脂材料之一，由于其优异的耐高低温性能、良好的机械强度与突出的耐辐照、耐腐蚀性能等特点，在航空航天、轨道交通等先进制造领域有着广阔的应用前景。然而纯的聚酰亚胺树脂基体通常表现出高的磨损率，必须经过改性才能满足实际工况的使用要求。

纤维填充改性是提高聚合物树脂耐磨性的最常用手段，碳纤维“外柔内刚”，质量比金属铝轻，但强度却高于钢铁，并且具有耐腐蚀、高模量的特性，其填充聚合物可显著提高材料的机械性能、耐磨性能和尺寸稳定性。纤维织物与纤维粉末、短切纤维及长纤维相比，其改善机械性能效果更佳。但是仅采用纤维织物填充聚合物，其抗磨损性能改善效果有限，并且摩擦进程中，到达“稳态磨损”时间较长。摩擦进程可以划分为初始磨损阶段和稳态磨损阶段，而初始阶段材料的磨损较为严重，如何降低初始阶段的磨损直接影响到材料的使用寿命。

现有纤维填充聚酰亚胺复合材料，大多属于短切碳纤维或碳纤维粉末增强类型，主要侧重于纤维表面处理、纤维与其他功能填料复合填充，以及解决纤维织物与聚合物树脂的浸润以及复杂形状难以成型等。

发明内容

本发明的目的是提供一种纳米粒子和碳纤维织物增强聚酰亚胺耐磨材料的制备方法。

一、聚酰亚胺耐磨材料的制备

本发明纳米粒子和碳纤维织物增强聚酰亚胺耐磨材料的制备方法，包括以下工艺步骤：

（1）碳纤维织物表面处理：将碳纤维织物剪切后先用丙酮浸泡15-20小时，除去纤维织物纺织中的环氧整理剂，再用新鲜丙酮超声清洗，晾干后放入等离子体处理仪，在真空度300~500Pa下处理5~10分钟；所述碳纤维织物纤维规格为1K，经向密度为10根/10mm，纬向密度为10根/10mm，单位面积质量为125±5g/m²。等离子体处理可改变纤维的表面状态，使纤维表面的沟槽加深，粗糙度增加，并在纤维的表面产生一些活性基团，从而改善了纤维表面浸润性和与聚合物的反应性。

（2）胶液配置：以间甲酚溶剂为介质，将聚酰亚胺和纳米碳化铌按10:1~20:1的质量比球磨混料，得胶液；所述聚酰亚胺的粒径为38~75μm，纳米碳化铌的粒径为50~100nm；磨球直径为Φ6mm，磨球数量为20~40个，球磨机转速为200~300rpm，球磨配胶时间为60～90min；纳米碳化铌和聚酰亚胺在间甲酚中的含量为0.05~0.1g/ml。

（3）碳纤维织物表面浸胶：将经表面处理的的碳纤维织物平放在浸渍盘中，将球磨配置的胶液倒入浸渍盘，放入超声波清洗机中超声浸渍3~5分钟，然后把浸渍盘放入110～130℃的烘箱中加热3~5分钟；重复超声浸渍、烘干2~3次，最后将浸渍盘中的胶液均匀涂抹在碳纤维织物表面，然后放入130~150℃的烘箱中烘干3~5小时。其中，超声波清洗机的功率为500W；聚酰亚胺与纳米碳化铌的量为碳纤维织物质量的0.5~1倍。

（4）热压成型：把经浸渍并烘干的碳纤维织物根据模具大小裁剪成多片，并放入模具热压成型。热压成型是在350~380℃，20~30MPa下保温保压90~150min。