| 题名 | 几种聚合物的伽马辐照润滑失效机理及其抗辐照结构设计研究 |
| 作者 | 柴利强 |
| 答辩日期 | 2021-11-26 |
| 授予单位 | 中国科学院大学 |
| 授予地点 | 北京 |
| 导师 | 翁立军,王鹏 |
| 关键词 | γ辐照,聚合物润滑材料,摩擦磨损,辐照损伤,抗辐照设计 |
| 学位名称 | 工学博士 |
| 其他题名 | 无 |
| 学位专业 | 材料学 |
| 英文摘要 | 核能作为一种有潜力替代传统能源的新型低碳清洁能源，而得到世界范围内的关注。对于核材料关键的科学问题在于研究辐照对材料服役性能的影响。聚合物固体润滑材料因具有自润滑性能佳、比强度高、抗辐照和化学结构稳定的特点而广泛应用于核装置的密封与润滑部位。然而，迄今为止对聚合物润滑材料在核辐照环境下摩擦磨损性能的研究不够充分，聚合物润滑材料摩擦特性的辐照损伤行为及其抗辐照设计研究也未见系统报道。随着核反应堆服役寿命的延长，对高剂量下材料的润滑性能提出了更为严苛的要求。基于此，本文首先以3种单体聚合物和2种复合聚合物为研究对象开展γ辐照试验，对辐照前后聚合物的微观组织、力学性能及其摩擦学性能演变规律进行了研究。在此基础上，开展了经非晶碳薄膜处理的PTFE和PEEK聚合物润滑材料的辐照损伤行为研究，讨论了碳基薄膜改性聚合物表面的抗辐照特性设计。主要获得以下结论： （1）单体PTFE聚合物经γ辐照后由非晶态主导的无序结构向结晶态主导的有序结构转变。PTFE表面发生辐照化学反应，产生COOH, C=C，-(CH2)n-官能团。同时，PTFE分子链的连续断裂导致了表面不规则裂纹的形成和扩展。低剂量下（＜1 MGy），随辐照剂量的增加，PTFE的纳米硬度和弹性模量均显著增加。线性主链断裂引起的力学性能下降被硬质结晶相出现造成的力学性能上升所抵消。随着辐照剂量的增加，PTFE平均摩擦系数在0.3 MGy剂量后逐渐达到饱和。这种变化是由分子链断裂、结晶度增加和表面官能团形成共同决定的。当辐照剂量＞1 MGy后，磨损率急剧增加。PTFE表面和亚表面出现的裂纹，加速了基体剥离，导致耐磨性急剧恶化。 （2）单体PEEK聚合物经高剂量（≥5 MGy）γ辐照后非晶区发生了分子链交联，导致PEEK样品的焓变和熔点下降。同时，辐照还引起PEEK表面发生了辐照氧化降解，表面出现了微孔和微裂纹等缺陷形貌。高剂量的γ辐照使得PEEK的显微硬度逐渐降低。γ辐照诱导的表面氧化使得PEEK静摩擦系数随辐照剂量逐渐增大。而对偶球上形成的颗粒状高含氧转移膜在摩擦过程中起到第三体摩擦的作用，将PEEK滑动接触摩擦机制转变为滚-滑接触。从而使得PEEK的动摩擦系数降低。当辐照剂量＞1 MGy时，PEEK的磨损率显著增加。辐照引起的PEEK表面微缺陷的出现和氧化物造成的磨粒磨损是导致高剂量下耐磨性能恶化的主要原因。 （3）单体PI聚合物经20 MGy剂量的γ辐照后仅在表面发生了辐照氧化降解。辐照使得PI样品表面出现微坑缺陷。经20 MGy剂量的γ辐照后PI的表面硬度相比于原始样品下降了4.12%。辐照引起的表面氧化和表层损伤是其硬度下降的主要原因。摩擦结果表明，γ辐照对PI摩擦系数的影响主要表现在摩擦跑合期。高剂量的γ辐照使得PI表面的磨损率逐渐上升，当辐照剂量达20 MGy时，PI的磨损率相比原始样品上升了2倍。然而，与辐照PTFE（磨损率上升了2个数量级）和辐照PEEK（磨损率上升了1个数量级）相比，辐照PI聚合物的摩擦磨损性能变化甚微。 （4）随辐照剂量的增加，PEEK+PTFE+C和PI+PTFE+C复合聚合物表面均出现了PTFE润滑相富集。当辐照剂量达5 MGy时，两种复合聚合物表面均表现出严重的辐照氧化降解。力学测试结果表明，辐照后两种复合聚合物的表面硬度呈现出随辐照剂量增加先逐渐增大，当辐照剂量达5 MGy时又显著降低的趋势。摩擦结果表明，在低剂量（＜1 MGy）下, 两种复合聚合物的摩擦系数和磨损率呈现出逐渐降低的趋势，辐照诱发的PTFE相的表面富集和结晶性增强引起的表面硬度增加是摩擦性能辐照增强的主要原因。高剂量（5 MGy）下，两种复合聚合物的摩擦系数和磨损率显著升高。辐照引起PEEK+PTFE+C表面裂纹等缺陷、辐照氧化以及摩擦时基体的粘着行为是其摩擦学性能恶化的主要原因；PI+PTFE+C复合聚合物表面辐照氧化形成的氧化颗粒在摩擦时产生的磨粒磨损是该复合聚合物摩擦学性能衰退的主要原因。 （5）PTFE和PEEK表面沉积a-C非晶无氢碳膜后，γ辐照同样会引起聚合物表面的a-C薄膜出现辐照氧化现象。当辐照剂量达5 MGy时，PTFE基体内部的分子链断裂引起a-C薄膜表面出现贯穿至基体的大裂纹，而PEEK的表面形貌与辐照前相比无明显区别。力学性能测试表明，低剂量（＜1 MGy）时，随辐照剂量的增加a-C/PTFE的纳米硬度逐渐增大，且增大幅度大于未表面处理PTFE。当辐照剂量达5 MGy时，a-C/PTFE的纳米硬度和弹性模量显著降低，而a-C/PEEK的纳米硬度、弹性模量及弹性恢复量变化轻微。摩擦学测试表明，经0.3 MGy剂量辐照后，随辐照剂量的增加a-C/PTFE的摩擦系数和PTFE的摩擦系数基本一致。低剂量（＜1 MGy）时，a-C/PTFE的磨损率表现出优异的抗辐照特性；经a-C处理后PEEK在辐照前后的摩擦系数均显著低于未处理的PEEK。同时，在5 MGy剂量辐照后a-C/PEEK的磨损率与辐照前基本保持一致。a-C/PEEK的摩擦学性能在高剂量下同样表现出优异的抗辐照特性。 |
| 页码 | 141 |
| 内容类型 | 学位论文 |
| 源URL | [http://ir.licp.cn/handle/362003/30059]  |
| 专题 | 兰州化学物理研究所_固体润滑国家重点实验室 |
| 作者单位 | 1.中国科学院大学 2.中国科学院兰州化学物理研究所; |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 柴利强. 几种聚合物的伽马辐照润滑失效机理及其抗辐照结构设计研究[D]. 北京. 中国科学院大学. 2021. |
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