高压气体压缩机阀片用材料的研究.pdf

高压气体压缩机阀片用材料的研究 Ξ 王晓东,朱 鹏,王 伟,王 筱,黄 培 Ξ ,时 钧 南京工业大学化学化工学院,江苏 南京210009 摘要根据气体压缩机阀片的要求,制备了碳纤维CF和二硫化钼 MoS 2填充热塑性聚酰亚胺 PI复合材 料;研究了不同组成材料的力学性能、摩擦性能,考察了载荷对材料摩擦性能的影响,观察了材料磨损面形貌,并对 磨损面进行了元素分析。结果表明通过填充碳纤维,可以有效增强聚酰亚胺材料的强度;填充MoS2后,材料的力 学性能有所下降,但可有效提高材料的极限PV值;随载荷增加,材料的磨损率及摩擦系数都不断减小;该材料适于 作高压气体压缩机构件。 关键词聚酰亚胺;碳纤维;二硫化钼;气体压缩机;阀片;摩擦;磨损;载荷 中图分类号 TH11713 文献标识码 A 文章编号 1005 - 5770200502 - 0065 - 03 Study of Polyimide Composite for Cap2valves of High Pressure G as2compressor WANG Xiao2dong , ZHU Peng , WANG Wei , WANG Xiao , HUANG Pei , SHIJun Institute of Chemistry and Chemical Eng1, Nanjing University of Technology , Nanjing 210009 , China Abstract Aiming at gas compressor work condition , carbon fibre CF and MoS2filled thermoplastic poly2 imide PI composites were prepared by injection molding1The mechanical and tribological properties of the com2 posites were valued and the loading effects on the tribological behaviors were also considered1The worn surface mor2 phology and element content were observed by ESEM and EDX1The results showed the mechanical properties were improved effectively by filling CF and decreased by filling MoS2; the filling of MoS2could enhance the limited PV value of the composite ; the wear rate and friction coefficient of the composite decreased with the increase of loading; the composite would be more suitable for the application to high pressure gas compressor1 Keywords Polyimide ; Carbon Fiber ; MoS2; Gas Compressor ; Cap2valve ; Friction; Wear ; Loading 气体压缩机是石油、化工、矿山、轻工等许多工 程领域不可缺少的通用机械之一,而阀片是气体压缩 机关键的易损部件。金属阀片易疲劳断裂、使用寿命 不足,导致压缩机的非正常停机和其它零件的损坏, 增加了维修量及维修成本[1]。工程塑料阀片因密度 小,工作时与阀座间的冲击力小,从而能增大阀片升 程,降低气流阻力,提高机组的效率;且耐腐蚀、耐 磨损、工作寿命长,压缩易燃易爆气体更安全,工作 噪声低[2];因此,前景光明[3 ,4]。目前,非金属材料 阀片材料主要以聚酰胺、聚酰亚胺、聚醚酰亚胺、聚 醚亚胺、聚酯酮及聚醚醚酮等为基体,填充增强纤维 及固体润滑剂。而利用聚酰亚胺PI复合材料作阀 片式气体压缩机构件的研究较少。本实验根据气体压 缩机阀片的工况条件,制备了碳纤维CF和二硫 化钼 MoS 2填充的PI复合材料,研究了不同组成 的PI复合材料的力学性能及摩擦性能,并考察了载 荷对其摩擦性能的影响,通过环境扫描电镜ESEM 分析了其磨损机理。 1 实验部分 111 原料及设备 聚酰亚胺PI 黄色粉末状固体,密度1 350 kg/ m3,玻璃化温度Tg 260℃,常州广成新型塑 料有限公司;二硫化钼 MoS 2 粉状,上海胶体化 工厂;碳纤维CF 粉状, 200目,上海碳素厂。 摩擦磨损试验机 MPX22000 ,河北宣化试验机 厂;热机械分析仪 TMA Diamond ,美国Perkin Elmer公司;低真空扫描电子显微镜ESEM QUAN2 TA200 , FEI公司。 112 复合材料的制备 按表1配方,采用机械混合热成型方法制备复合 56 第33卷第2期 2005年2月 塑料工业 CHINA PLASTICS INDUSTRY Ξ 联系人025 - 83587175 phuang mail1njut1edu1cn 作者简介王晓东,男,硕士,主要从事功能高分子材料加工和应用研究。wangxd1188 1631com 材料,并制成规格为 Φ3014 mm Φ 2512 mm4176 mm的试样。 表1 复合材料配方 Tab 1 ulation of composite 样品编号PI质量分数/ CF质量分数/ MoS2质量分数/ A10000 B70300 C65305 D603010 113 性能测试 摩擦磨损性能按G B/ T 39601983测试,时间 2 h ,滑动速度01540 m/ s ,载荷110～570 N;用精度 为011 mg的精密电子天平测定磨损量,材料特殊体 积磨损率按公式1计算 Km/ ρ VtF1 式中,K为材料特殊磨损率, m3/ N m ;m为磨损 质量, kg;ρ为材料密度, kg/ m3;V为滑动线速度, m/ s;t为时间, s;F为载荷, N。 拉伸性能按G B/ T 10401992测试;压缩强 度按G B/ T 10411992测试;冲击性能按G B/ T 10431993测试。 线性膨胀系数αl 升温速率10℃/ min ,载荷 50 mN ,氮气气氛,线性范围为50～200℃。 磨损面形貌特征和摩擦面元素分布采用ESEM 和EDX进行观察。 2 结果与讨论 211 复合材料的力学性能 表2 复合材料的力学性能 Tab 2 Mechanical properties of composite ABCD 拉伸强度/ MPa7812192151591814319 断裂伸长率/ 15128361563311233155 弯曲强度/ MPa20614265152381320110 压缩强度/ MPa14915190151731316315 简支梁冲击强度/ kJm- 217178827154015156891918 表2是复合材料的力学性能。从表2可知,加入 30 的碳纤维后,复合材料的力学性能有不同程度提 高;其中B试样的拉伸强度达到纯PI的2146倍,且 断裂伸长率提高了13913 ,简支梁冲击强度比纯PI 提高近10 kJ/ m2;进一步填充MoS2后,试样的力学 性能呈现整体下降趋势,但除冲击强度外,各项性能 指标依然优于或接近纯PI ,拉伸强度较纯PI分别提 高10413 及8411 。由此可见,通过填充CF ,可有 效增强PI的强度;但MoS2因与基体材料的性能差异 太大,从而降低了材料的力学性能。 212 复合材料的热机械性能 表3是复合材料的热机械性能。从表3可知,通 过复合改性, PI的线性热膨胀系数αl略有下降, 其中试样D 的α l最低,达到4103110 - 5K- 1。这是 因为CF及MoS2的αl均低于PI;因此,随填料的加 入,复合材料的αl呈现下降趋势。只加CF的试样B 的Tg略有升高;但同时加入MoS2的试样C、D的Tg 低于纯PI。这是因为CF与PI的结合较好,无较大气 孔;而MoS2与PI的结合程度较差,存在较多缺陷, 所以Tg有所下降。 表3 复合材料的热机械性能 1 Tab 3 Thermal mechanical properties of composites ABCD αl/ 10 - 5K- 1 51038419374182941031 Tg/℃26112261192481324619 注 1 考虑到阀片材料正面为主要工作面,表中数据为 材料正面的热机械性能。 213 复合材料的摩擦性能 图1 复合材料的摩擦系数随载荷的变化 Fig 1 Friction coefficient vs loading 图2 复合材料的磨损率随载荷的变化 Fig 2 Wear rate vs loading 图1、2是复合材料的摩擦系数和磨损率随载荷 的变化。由图1、2可以看出,随载荷增加,复合材 料的磨损率及摩擦系数都不断减小。这是由于碳纤维 具有高强度高模量[8],在低载荷下,引起大幅度机械 振动,使材料的摩擦接触面积减少,整体受力不均 66塑 料 工 业2005年 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 匀,表现为材料的摩擦系数变化幅度、平均摩擦系数 及磨损率较大;在高载荷下,机械振动效应得到有效 地抑制,表现为材料的摩擦系数变化幅度、平均摩擦 系数及磨损率较小。从图1、2还可看出,加入MoS2 可提高复合材料的极限PV值,使其更适用于高PV 值工作条件。 图3 D材料摩擦系数随摩擦时间的变化 Fig 3 Friction coefficient of composite D vs wear time 图3是载荷为115 MPa时,试样D的摩擦系数随 摩擦时间的变化。从图3可见,摩擦开始阶段,接触 面较光滑,摩擦系数仅为011左右;由于短切CF硬 度大,所以在滑动过程中被不断从材料本体中拔出, 存在于接触面中,形成磨粒,增大了材料的摩擦磨 损。随着摩擦时间的增长, CF脱离本体、以磨粒形 式存在于接触面和移出摩擦面,形成磨屑过程趋于动 态平衡,表现为摩擦系数随时间虽有一定幅度的振动 变化,但总体趋于平衡。 由此可以发现复合材料在同种工况下的摩擦性 能变化不大;但加入MoS2后,材料的极限PV值提 高;同时,该系列材料由于其特有的性质,在高载荷 下的摩擦磨损性能优于其低载荷下,从而更适用于高 压气体压缩机构件。 214 复合材料磨损面的形貌 图4为复合材料磨损面的SEM图。由图4a、b可 以看出, MoS2填充的复合材料的磨损面更为平整,从 而减少了材料滑动过程中的摩擦磨损。这是因为加入 MoS2后,复合材料的玻璃化温度和各项力学性能明 显下降;因此,在滑动过程中,接触面的高温和 MoS2良好的润滑性能使热性能相对较差的基体材料 先熔融,后经机械剪切、挤压,重新覆盖于接触面, 从而有效地减少了材料的摩擦磨损。从图4b、c、d 可看出,随载荷的升高,机械剪切和挤压作用进一步 增强,基体材料覆盖接触面程度不断提高;当载荷达 到215 MPa时,磨损面被基体材料完整覆盖,没有明 显的CF突出体,但同时由于高载荷的影响, CF在亚 表层出现大量的断裂现象。 a -载荷015 MPa , B b -载荷015 MPa , D c -载荷115 MPa , D d -载荷215 MPa , D 图4 复合材料磨损面的SEM图 Fig 4 SEM micrograph of worn surface of composites 3 结论 1 通过填充CF可有效增强PI的强度;而MoS2 的加入降低了PI的力学性能;且复合材料的αl和Tg 都略有下降。 2 试样B、C、D的摩擦性能差别不明显,但加 入MoS2后,材料的极限PV值提高;随载荷增加, 复合材料的磨损率及摩擦系数都不断减小,因此该材 料适于高压气体压缩机构件。 3 复合材料通过填充MoS2,有效地减少了材料 的摩擦磨损。随载荷升高,基体材料覆盖接触面程度 不断提高;当载荷达到215 MPa时,磨损面被基体材 料完整覆盖,没有明显的CF突出体,但同时CF在 亚表层出现大量断裂现象。 参考文献 1 温爱玲,戴连森,杜鹃 1 热加工工艺, 2003 , 3 50 2 冯任硅,母福贵 1 压缩机技术, 1996 , 4 18 3 邹强 1 压缩机技术, 2002 , 5 26 4 杨学宾,魏刚强 1 压缩机技术, 2004 , 1 35 5 林红 1 压缩机技术, 1994 , 4 18 6 彭成澈 1 压缩机技术, 1996 , 2 10 7 陈样宝,包建文,类英阳 1 树脂基复合材料制造技术.北 京化学工业出版社, 2000 8 Hearle J W S1High2perance fibers1London Woodhead Pub2 lishing Limited , 2001本文于2004 - 10 - 20收到 76第33卷第2期王晓东等高压气体压缩机阀片用材料的研究