Page 107 - 摩擦学学报2025年第4期

第 4 期 郑占模, 等: 二氧化硅纳米颗粒协同碳纤维增强复合材料防滑和耐磨性能研究 595

的疏水性和耐热性等优异性质. 其中，高硬度、耐磨损 聚氨酯基复合材料，揭示SiO 纳米颗粒和碳纤维配比
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和热稳定性好的SiO 纳米颗粒(SiO NPs)受到摩擦学 对改性复合材料性能增强效果的影响规律，并分析二
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领域学者们的广泛关注 . 朱昭宇等 利用纳米SiO 2 者的协同作用机理，为设计和制造在湿滑环境下具有优
改性超高分子量聚乙烯(UHMWPE)制备了新型防滑 异防滑性能和耐磨性能的摩擦制动复合材料提供参考.

材料，研究结果表明：具有优异增摩性能的纳米SiO 2
增强了UHMWPE的防滑性能，但其减低了复合材料 1 试验部分

的连续性，削弱了UHMWPE的力学性能，导致改性复 1.1 试验材料
合材料的耐磨性能较差. 图1所示为试样制备流程. 试验选用平均直径2 mm，
具有高强度、低密度和耐高温等特性的高性能纤 邵氏D硬度45HD的热塑性聚氨酯(TPU)颗粒[图1(a1)]
维[芳纶纤维、玻璃纤维和碳纤维(CF)等]常用作增强 作为基体材料(中国石油天然气股份有限公司独山子石
填料改性复合材料的机械性能，降低摩擦过程中材料 化分公司). 密度为2.2 g/cm 的疏水性SiO NPs [图1(a2)]
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的失效行为，从而改善复合材料摩擦学性能 [19-21] . 其 作为改性防滑性能的增摩填料(上海缘江化工有限公
中，碳纤维因优异的比模量、耐磨损、耐高温、导热性 司). 短切CF (T300) [图1(a3)]作为增强填料，其密度为
和抗疲劳等性质被认为是聚合物基摩擦材料的理想 1.76 g/cm (日本东丽公司)；图1(e)所示为CF的拉曼光
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增强填料 [22-23] . 因此，高性能碳纤维有望与SiO 纳米颗 谱，其中1 373、1 586和2 840 cm 分别对应材料的D、
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粒增摩填料有机协同获得兼具增摩擦和抗磨损等优 G和D' 特征峰 .

异性能的新型防滑粒料，改善聚合物基摩擦材料防滑 1.2 试样制备
性能的同时增强其耐磨性能. 但是，目前关于SiO 纳 为提高SiO NPs和CF在TPU基体中的分散性，将
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米颗粒与碳纤维的相互作用机理尚未得到充分讨论， CF粉末和SiO NPs分散到乙醇溶液中超声振荡10 min
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尤其是关于湿滑环境下防滑性能的研究鲜有报道. 后自然干燥，随后转移至60 ℃的烘箱中干燥8 h，获得
本研究中将制备SiO 纳米颗粒与碳纤维协同改性 分散均匀的CF粉末和SiO NPs[图1(b)]. 使用双螺杆密
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(e) (a1) Φ=2 mm (a2) (a3)
D G
Intensity/a.u. TPU pellets SiO 2 NPs CF powders

D′ (b1) (b2) (b3)

Dried in air
1 000 1 500 2 000 2 500 3 000 3 500
Ramsn shift/cm −1
(f) TPU

Alcohol Ultrasonic Oven
SiO 2 NPs/TPU absolution dispersion for 10 min 60 ℃ for 8 h
(d) (c)
CF/TPU
40 mm Heating Pressure
SiO 2 NPs/CF/TPU Molding blend

85 mm
Specimens Extrusion granulation and injection molding machine

Fig. 1 Schematic diagram of fabrication process of specimens: (a1) TPU pellets; (a2) SiO 2 NPs and (a3) CF powders;
(b) dispersion process of raw material; (c) extrusion granulation machine and (d) injection molding machine;
(e) Raman pattern of CF; (f) composite specimens
图 1 改性复合材料试样的制备流程：(a1) TPU颗粒；(a2) SiO 2 NPs和(a3) CF粉末；(b)原材料的分散过程；
(c)挤出制粒机；(d)注塑机；(e) CF的拉曼光谱图；(f)复合材料式样