PI材料

1.2.3.2 聚酰亚胺(PI)基复合材料PI分子主链中具有十分稳定的酰亚胺芳杂环结构，高温下具有其它特种工程润滑材料所不可比拟的优良综合性能，其拉伸强度可达200 MPa,且耐热性和耐辐射性好，在高温、高真空及辐照下稳定，挥发物少。

其中热塑性PI长期使用温度一般在-240～260 ℃，热固性PI长期使用温度可达300 ℃以上[43]。

PI具有良好的机械性能，摩擦性能仅次于PTFE，在与金属干摩擦时，可向对偶面发生转移，起到自润滑作用，并且静摩擦因数与动摩擦因数很接近，防止爬行的能力好。

在实际应用中，为了充分发挥和利用聚酰亚胺的优异特性，常常通过改性或增强技术来制备PI基自润滑复合材料或者聚合物合金。

将PTFE与PI复合加工成减摩材料，可较大幅度的改善复合材料的减摩性能。

黄丽等[44]考察了共混方式对PTFE/PI复合材料的摩擦性能影响，通过实验发现，采用气流粉碎共混方式所得的试样的冲击强度比简单机械共混试样提高 5.3%，摩擦系数与磨痕宽度分别降低6.3％和7.4％。

这是由于在冲击作用下，复合材料中较大的PTFE颗粒周围容易产生应力集中而引发材料的破坏，而经过气流粉碎共混后，PTFE粒径变小，分散更均匀，相对应力集中较弱，因此材料的冲击强度有所提高。

同时，采用气流粉碎共混之后，PTFE颗粒粒径减小，数量增多，更有利于向摩擦面转移，缩短材料达到摩擦动态平衡的时间，从而提高了材料的摩擦磨损性能。

为了得到理想的摩擦磨损性能，人们用石墨、MoS2以及玻璃纤维对PI进行改性。

杨生荣等人[46]通过离子注入的方法对PI进行改性来提高材料的耐磨性，如分别将N+和Fe+离子注入芳香PI薄膜，结果降低了钢对PI膜的摩擦系数。

这是由于离子加入可以有效的改善PI膜的自润滑性能，提高聚合物的硬度，增大交联度，降低其与钢摩擦时的粘着，从而提高聚合物的耐磨性。

此外，离子注入过程中通常会在被注入物质的表面形成一层极薄的无定型碳膜，同时也起到一定的润滑作用。

多相复合填充PI基体表现出很好的协调作用。

PI复合材料的摩擦磨损性能强烈依赖于填充材料的组分，其中填充硬质纳米Si3N4粒子、短碳纤维和石墨的PI复合材料的摩擦磨损性能在被试材料中为最好。

同时，在不考虑填充组分条件下，滑动速度对PI复合材料的摩擦学性能也有很大的影响。

在较高的载荷和滑动速度下，PI复合材料仍能表现出良好的摩擦学性能。

在同样PV值条件下，PI复合材料在较低载荷和较高滑动速度时的摩擦磨损性能更好。

另外，PI复合
材料在不同润滑条件下，其摩擦磨损行为也有显著差异。

在油润滑条件下的摩擦学性能比干摩擦条件下的更好；而水润滑条件下的摩擦学性能要比干摩擦条件下的差，这主要是不同条件下PI复合材料的磨损形式发生变化所致。

多孔含油自润滑材料研究现状
由于固体自润滑材料自身具有的优点，其应用越来越广泛。

但是，使用固体自润滑材料时也有一些缺点，如摩擦系数一般比油脂润滑高；无冷却作用，不能带走摩擦热；因为是体接触，磨损不可避免；排除磨屑和润滑剂的补充方面效果也比不上油，脂润滑；固体膜附着在摩擦面不牢，易脱落，寿命较短等。

为了充分发挥固体自润滑的优异特性，引入油(脂)润滑机制，就可以开发出多孔含油(脂)自润滑材料。

多孔质含油自润滑材料具有直接储存润滑油进行自润滑的特点[91]。

它的基体被加工成为多孔的组织结构，具有一定渗透性；制成后用适当的润滑剂(一般用润滑油) 加以浸渍，使润滑剂充填到基体的孔隙中储存起来。

在工况条件下，这些润滑剂会从孔隙中渗出，润滑工作表面；停止运转时，润滑剂又重缩回到多孔基体中储存起来。

润滑剂的流失量一般甚少，因此工作过程中无需补充润滑剂，零件仍能保持正常工作。

当摩擦副零件缺少油(脂)润滑或者断油时，多孔质材料作为自润滑材料单独起作用。

这样既继承了固体自润滑的特性，又发挥了油脂润滑的优异特点。

PI基复合材料摩擦学试验表明：使得PI复合材料具有较好减摩特性和良好耐磨特性的nano-EG和PTFE的填充质量含量分别为15%和30%。

其中，填充nano-EG的PI复合材料的耐磨性提高了200倍，填充PTFE的PI复合材料的耐磨性提高了三个数量级。

加入刚性纳米粒子的PI/nano-EG或PI/PTFE三元复合材料和45钢金属试件对磨时的摩擦系数较之nano-EG和PTFE分别填充PI复合材料的摩擦系数略有上升，耐磨性却得到较大幅度提高。

其中填充纳米Cu的PI/PTFE以及PI/nano-EG三元复合材料在被试材料中表现出最好的耐磨性。

不同纳米粒子填充PI/nano-EG复合材料磨损形貌图5-22所示为填充不同纳米粒子的PI/nano-EG三元复合材料摩擦磨损形貌SEM照片。

在填充α-Al2O3的复合材料A的磨损表面存在较多磨损产物，同时可以看到硬质粒子在表面的划伤现象，如图5-22a所示。

填充纳米Cu的复合材料B的磨损表面相对光滑，表
面存在由于塑性流动和挤压形成的较宽沟槽，如图5-22b所示。

填充纳米SiO2的复合材料C磨损表面形貌意味着微切削和轻微粘附是其主要磨损形式，如图5-22c所示。

观察添加改性SiCw的复合材料D磨损表面后发现，在接触表面出现大量粒子富集图(5-22d)。

这些富集在摩擦表面的纳米粒子的微滚-滑效应有利于摩擦系数的降低，从而提高材料减摩性。

同时，刚性纳米粒子较高的承载作用也会使得复合材料磨损率降低，从而提高复合材料耐磨性。

添加纳米Cu的PI/nano-EG三元复合材料磨损体积在相同试验条件下为最低，意即耐磨性为最高，此时其摩擦系数却相对较大。