李軒，何瑜，明白，張曉燕，劉福華，來升

（1.四川輕化工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，四川 自貢 643000；2.西安長(zhǎng)峰機(jī)電研究所，西安 7100652；3.宜賓職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車與軌道交通學(xué)院，四川 宜賓 644003）

0 前言

高性能摩擦材料需要兼具適當(dāng)?shù)哪Σ烈驍?shù)、優(yōu)良的耐磨性、熱穩(wěn)定性、綜合力學(xué)性能和物理化學(xué)性能［1-2］。近些年來，以酚醛樹脂、環(huán)氧樹脂、聚四氟乙烯、聚酰胺、PI樹脂等耐熱聚合物為基體的復(fù)合摩擦材料由于具有可設(shè)計(jì)性好、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)且摩擦學(xué)性能優(yōu)良等諸多優(yōu)點(diǎn)而獲得了迅猛發(fā)展［3-4］。尤其是PI樹脂基復(fù)合摩擦材料，在高溫、高真空、重載等嚴(yán)苛環(huán)境中表現(xiàn)出了優(yōu)異的耐熱、耐磨和綜合力學(xué)性能，被廣泛用于航空航天、精密機(jī)械等的關(guān)鍵零部件如各種軸承、齒輪、密封件、襯套及摩擦片等［5-10］。

PI樹脂分子主鏈剛性大、熔體黏度高等特性導(dǎo)致其加壓窗口窄、可成型性差，因此成型具有復(fù)雜形狀的PI樹脂基復(fù)合摩擦材料異常困難［10-14］。此外，具有實(shí)際工程應(yīng)用價(jià)值的PI樹脂基復(fù)合摩擦材料通常添加有多種增強(qiáng)增韌纖維及各種有機(jī)、無機(jī)或金屬改性填料，各組分之間的相容性、界面結(jié)構(gòu)及內(nèi)部缺陷等很難控制，進(jìn)一步增加了高性能復(fù)合摩擦材料的成型難度［15-18］。因此，雖然目前開發(fā)的樹脂基復(fù)合材料成型方法多達(dá)幾十種，但適用于制備PI樹脂基復(fù)合摩擦材料的還比較有限，主要集中在熱模壓成型、冷-熱等靜壓和3D打印以及其他成型技術(shù)如注射成型、擠出成型等［19-24］。隨著現(xiàn)代裝備的快速升級(jí)發(fā)展對(duì)高性能摩擦材料的需求不斷擴(kuò)大，PI樹脂基復(fù)合摩擦材料及其配套的成型技術(shù)正受到越來越廣泛的關(guān)注。本文綜述了PI樹脂基復(fù)合摩擦材料的成型技術(shù)研究進(jìn)展，旨在為高性能PI樹脂基復(fù)合摩擦材料的開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用提供有益參考。

1 PI樹脂基復(fù)合摩擦材料的發(fā)展現(xiàn)狀

PI樹脂具有輕質(zhì)高強(qiáng)、耐高低溫、耐化學(xué)溶劑、低介電、阻燃及優(yōu)良的力學(xué)性能，是綜合性能最佳的有機(jī)高分子材料之一，非常適合作為高性能復(fù)合摩擦材料的樹脂基體使用；但純PI的摩擦因數(shù)和磨損率均較高，很難單獨(dú)用于高溫、高速、重載及復(fù)雜結(jié)構(gòu)件［25-27］。為進(jìn)一步提高PI樹脂的摩擦學(xué)性能，國(guó)內(nèi)外研究人員在PI樹脂的結(jié)構(gòu)改性、共混改性及復(fù)合改性（纖維、填料改性）等領(lǐng)域開展了大量卓有成效的研究。

在復(fù)合摩擦材料中，PI樹脂基體通常是耐熱性最差的組分，因此對(duì)PI樹脂進(jìn)行結(jié)構(gòu)改性以提高其自身的耐熱性及綜合力學(xué)性能，是獲得高性能復(fù)合摩擦材料的基礎(chǔ)。但根據(jù)熱固性聚酰亞胺（PI-s）和熱塑性聚酰亞胺（TPI）性能的差異，結(jié)構(gòu)改性的研究側(cè)重點(diǎn)有所不同［28］。PI-s分子主鏈結(jié)構(gòu)剛性較大導(dǎo)致韌性較差、硬度大、模量髙，易在界面上產(chǎn)生較高的應(yīng)力而造成摩擦學(xué)性能下降，因此改善其分子主鏈結(jié)構(gòu)以提高韌性是主要途徑，包括：（1） 在PI-s的分子結(jié)構(gòu)中引入含有柔性鏈結(jié)構(gòu)的二酐或二胺單體來提高韌性；（2） 破壞PI-s分子結(jié)構(gòu)以形成非對(duì)稱或無定形態(tài)的PI-s，提高其韌性和耐熱性［29-31］。TPI的韌性較好，但耐熱性和力學(xué)性能較差，在摩擦磨損過程中容易產(chǎn)生塑性變形和組織熔融，因此提高其熱穩(wěn)定性和力學(xué)性能是研究的主要方向，包括：（1）改變TPI中二胺的結(jié)構(gòu)來改善其耐熱性能；（2） 引入含氟單元提高其強(qiáng)度和高耐熱性等［32-33］。除分子結(jié)構(gòu)改性外，共混改性和復(fù)合改性也是開發(fā)高性能PI摩擦材料的重要途徑。共混改性最為常見的是與摩擦因數(shù)低且耐熱性優(yōu)良的PTFE進(jìn)行共混，可以提高PI樹脂的韌性并降低摩擦因數(shù)，方式包括機(jī)械共混、熔融共混、溶液共混、氣流粉碎共混等；與結(jié)構(gòu)改性相比，共混改性更加簡(jiǎn)單靈活且成本較低，但往往會(huì)削弱PI樹脂在力學(xué)、耐熱性等方面的優(yōu)勢(shì)［34-35］。復(fù)合改性通過在PI樹脂中添加增強(qiáng)增韌纖維［8，36-37］或改性填料如增摩劑［38-40］、潤(rùn)滑劑［41］、導(dǎo)熱劑［42-43］以及空間填料［44］等，來開發(fā)高品質(zhì)復(fù)合摩擦材料，具有可設(shè)計(jì)性好、成型工藝靈活等優(yōu)點(diǎn)，因而極具市場(chǎng)推廣和應(yīng)用價(jià)值。在新型PI復(fù)合摩擦材料的實(shí)際研發(fā)過程中，研究人員更多采用摩擦性能調(diào)節(jié)劑和空間填料相結(jié)合、或是分子結(jié)構(gòu)改性與復(fù)合改性相結(jié)合等方式，以獲得高性能的復(fù)合摩擦材料。

經(jīng)過近60年的發(fā)展，目前PI-s已歷經(jīng)四代，使用溫度覆蓋280～450 ℃，目前正快速發(fā)展的第四代耐高溫有機(jī)無機(jī)雜化復(fù)合材料，將具有無機(jī)特性的結(jié)構(gòu)引入PI分子鏈中，大幅提高了材料的熱氧化穩(wěn)定性、熱分解溫度、玻璃化轉(zhuǎn)變溫度和力學(xué)性能，其中最具代表性的是美國(guó)Performance Polymer Solutions公司開發(fā)的P2SI-900HT，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度達(dá)489 ℃，可在425 ℃以上長(zhǎng)期使用［45-46］。TPI樹脂產(chǎn)品中，美國(guó)通用電氣（GE）、NASA、杜邦公司和日本三井公司都有代表性產(chǎn)品被廣泛使用，GE公司開發(fā)的新型聚醚酰亞胺（PEI），耐熱溫度達(dá)300 ℃；NASA開發(fā)的很多品種的TPI復(fù)合材料如LaRC-TPI、LaRC-8515、LaRC-SI等，作為摩擦材料的基體在航空航天領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用；杜邦公司開發(fā)的高性能PI復(fù)合材料Vespel，已被制成各種齒輪和精密軸承；三井東亞開發(fā)的Aurum聚酰亞胺，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度高達(dá)250 ℃［47］，在此基礎(chǔ)上開發(fā)的Super Aurum可在350 ℃高溫長(zhǎng)期使用［48］，并且適合進(jìn)行擠出和注射成型，目前在發(fā)動(dòng)機(jī)軸承、外殼、密封件等零部件中獲得了廣泛應(yīng)用［45］。我國(guó)蘭州化物所、長(zhǎng)春應(yīng)化所、北京航空材料研究院、北京航空航天大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、南京航空航天大學(xué)、南京工業(yè)大學(xué)等科研院所在新型PI樹脂基復(fù)合摩擦材料的研發(fā)領(lǐng)域也開展了較為系統(tǒng)深入的研究［49-58］。例如，蘭州化物所王齊華團(tuán)隊(duì)開發(fā)的PI樹脂基復(fù)合摩擦材料已成功用于超聲電機(jī)的轉(zhuǎn)子摩擦部件，提高了超聲電機(jī)的使用壽命、能量傳遞效率、運(yùn)行穩(wěn)定性和可靠性［49-53］；該所固體潤(rùn)滑國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的3D打印摩擦器件研究團(tuán)隊(duì)在系統(tǒng)探究了光固化3D打印成形PI的摩擦學(xué)性能，實(shí)現(xiàn)了“按需潤(rùn)滑”PI自潤(rùn)滑表界面材料和軸承等零部件的3D打印制造，為復(fù)雜結(jié)構(gòu)聚合物自潤(rùn)滑零部件設(shè)計(jì)與制造提供了可行方案［54］。長(zhǎng)春應(yīng)化所開發(fā)的新型PI樹脂，在發(fā)電機(jī)組、空壓機(jī)、傳輸泵密封等領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用，并開展了該系材料在高性能汽車剎車片等民用領(lǐng)域的研究［55-58］。但總體來說，我國(guó)PI樹脂基復(fù)合摩擦材料的發(fā)展尚處于起步階段，相關(guān)應(yīng)用主要集中在航空航天、武器裝備等領(lǐng)域，民用領(lǐng)域的應(yīng)用還非常有限，除原料成本高、成分復(fù)雜等因素外，PI樹脂復(fù)合摩擦材料的成型困難也是關(guān)鍵因素之一［59-60］。因此，進(jìn)一步探索高性能PI樹脂基復(fù)合摩擦材料的高效成型工藝很有必要。

2 PI樹脂基復(fù)合摩擦材料的成型工藝

2.1 熱模壓成型

熱模壓成型具有工藝簡(jiǎn)單、料損少、制品強(qiáng)度高、內(nèi)應(yīng)力低且重復(fù)性較好等諸多優(yōu)點(diǎn)；并且熱模壓成型的溫度一般低于基體熔點(diǎn)，有利于保持材料各組分的原有性能，因而能夠制備出機(jī)械強(qiáng)度高、摩擦因數(shù)穩(wěn)定且耐磨性好的多組分復(fù)合摩擦材料，是目前制備PI樹脂基復(fù)合摩擦材料最常用的方法［61］。典型工藝流程如圖1所示。

圖1 樹脂基復(fù)合摩擦材料的典型熱模壓工藝流程Fig.1 Typical hot molding process of resin-based composite friction materials

根據(jù)熱加工特性不同，熱固性和熱塑性的熱模壓工藝參數(shù)存在差異。中科院化學(xué)所和航天材料及工藝研究所先后對(duì)不同耐溫能力PI-s的化學(xué)反應(yīng)特性和熱模壓工藝進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究［62-64］。化學(xué)所的趙偉棟等研究了熱模壓工藝參數(shù)對(duì)耐370 ℃ PI復(fù)合材料性能的影響，在280～290 ℃開始加壓有利于降低成型材料的低孔隙率，然后進(jìn)行400 ℃/6 h固化處理能夠獲得耐熱性能和綜合力學(xué)性能良好的復(fù)合摩擦材料［62］；曲希明等優(yōu)化了碳纖維增強(qiáng)PMR型PI復(fù)合摩擦材料的熱模壓成型工藝，發(fā)現(xiàn)先進(jìn)行250～370 ℃、2.5 MPa保溫保壓1.5 h，再分別進(jìn)行320 ℃/2 h和370 ℃/1 h保溫保壓固化，能夠制備出組織結(jié)構(gòu)致密且力學(xué)性能優(yōu)良的碳纖維/PI復(fù)合材料［63］。航天材料及工藝研究所的潘玲英等研究了KH420樹脂的熱化學(xué)反應(yīng)特性，發(fā)現(xiàn)樹脂的亞胺化在220 ℃時(shí)已基本完成；溫度高于220 ℃時(shí)為高溫亞胺化階段，其中約305 ℃時(shí)樹脂黏度最低，成型工藝性能最優(yōu)［64］。中科院蘭州化物所、蘭州大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、北京航空材料研究院、南京航空航天大學(xué)等科研院所針對(duì)不同耐熱溫度、不同成分PI-s樹脂基復(fù)合摩擦材料的熱模壓成型工藝做了大量研究［65-66］。喻萍等采用熱模壓工藝制備了凹凸棒石改性的PI-s樹脂基復(fù)合摩擦材料，通過將CF、Gr、SiO2和ATP粉體在80 ℃干燥5 h后進(jìn)行高速攪拌，混合均勻后冷壓預(yù)成型，最后在370 ℃、6 MPa保溫保壓40 min，自然冷卻至室溫后脫模；所制備的復(fù)合摩擦材料與傳統(tǒng)碳纖維/石墨的PI-s復(fù)合材料相比磨損率降低約69 %［65］。何國(guó)榮等利用熱模壓成型方法制備了PI-s/MoS2/ZnS復(fù)合摩擦材料，經(jīng)180～300 ℃、5 MPa加壓和脫氣、再經(jīng)300～350 ℃、10 MPa保溫保壓15 min后制備的復(fù)合材料與純PI-s相比摩擦因數(shù)和磨損率分別下降了15.9 %和34.3 %［66］。Yang等熱模壓方法制備了潤(rùn)滑劑改性的PIs復(fù)合摩擦材料（PI-s/MoS2、PI-s/SiO2、PI-s/Si3N4、PI-s/石墨），熱模壓工藝如圖2所示，首先升溫至290 ℃并在1.5 MPa保壓30 min，然后升溫至370 ℃保溫保壓120 min，自然冷卻至室溫。所制備的PI-s/MoS2-20 %復(fù)合材料的摩擦因數(shù)最低（0.11），與純PIs相比降低47.6 %；而PI-s/石墨-20 %復(fù)合材料的磨損失重最小，較純PI-s降低90.4 %［67］。

圖2 潤(rùn)滑劑改性的PI-s復(fù)合摩擦材料的熱模壓工藝［67］Fig.2 Hot molding process of lubricant modified PI-s composite friction material［67］

TPI的熱模壓成型工藝過程與PI-s相似，但熱壓溫度通常較PI-s有所降低，保壓時(shí)間也更短。楊培娟等采用熱模壓方法制備了玄武巖纖維/TPI復(fù)合材料，其中模壓溫度為360 ℃、壓力20 MPa、保壓時(shí)間30 min所制備的復(fù)合材料具有致密的組織和優(yōu)良的綜合力學(xué)性能［68］。Wan等采用熱模壓方法制備出了組織結(jié)構(gòu)致密的納米石墨/TPI復(fù)合摩擦材料，具體工藝為：10 MPa冷壓→250 ℃、15 MPa保溫保壓90 min→350 ℃、40 MPa保溫保壓70 min→冷卻至室溫→脫模，所制備的復(fù)合材料與純TPI相比摩擦因數(shù)和磨損率分別降低了55.63 %和97.39 %［69］。李建勇等采用熱模壓方法制備了石墨烯納米片（GNS）填充的TPI復(fù)合材料，混合均勻的原料后置于模具中，采用液壓機(jī)雙向加壓90 MPa并保壓20 min冷壓成型，然后在350 ℃保溫保壓60 min后自然冷卻，制備的0.5 %-GNS/TPI多孔復(fù)合材料表現(xiàn)出了良好的摩擦磨損性能［70］。Zhu等通過熱模壓工藝制備了TPI/g-C3N4復(fù)合摩擦材料，具體工藝為：300 ℃、15 MPa多次熱壓成型，再經(jīng)230 ℃硬化4 h后自然冷卻，所制備的復(fù)合材料的摩擦因數(shù)和磨損率隨載荷增大而減小，摩擦學(xué)性能較純TPI有明顯改善［71］。除熱壓參數(shù)外，后處理溫度對(duì)TPI樹脂基復(fù)合摩擦材料的性能也有明顯影響。張杏園等對(duì)熱模壓方法制備的TPI樹脂基（M1666）復(fù)合材料進(jìn)行了不同溫度的后處理，后處理溫度為260～280 ℃時(shí)復(fù)合材料的摩擦因數(shù)有最大值，280～300 ℃時(shí)磨損率有最低值；但過高的后處理溫度會(huì)導(dǎo)致復(fù)合材料的強(qiáng)度和硬度降低，造成摩擦性能不穩(wěn)定［72］。

目前，采用熱模壓工藝制備PI復(fù)合材料的工藝已較為成熟，但PI樹脂基體與增強(qiáng)纖維、改性填料之間的相容性較差、界面強(qiáng)度不高等問題仍然存在，進(jìn)一步探索多組分復(fù)合摩擦材料的強(qiáng)結(jié)合、致密化熱模壓工藝依然是研究的熱點(diǎn)［73-74］。

2.2 冷-熱等靜壓成型

冷-熱等靜壓成型是基于粉末冶金燒結(jié)技術(shù)發(fā)展起來的一種特殊模壓成型方法，包括粉料制備→包套真空密封→等靜壓制→包套剝離→后處理等基本流程，按照成型固化溫度高低分為冷等靜壓（CIP）、溫等靜壓（WIP）和熱等靜壓（HIP）。

冷-熱等靜壓成型的工藝條件是影響PI復(fù)合材料的綜合力學(xué)性能和摩擦學(xué)性能的關(guān)鍵要素。中科院蘭州化物所的張新瑞公開了一種風(fēng)電偏航制動(dòng)器用PI樹脂基復(fù)合摩擦材料，具體工藝流程包括預(yù)壓→冷等靜壓→熱等靜壓：首先在5～10 MPa壓力下3～5 min預(yù)壓制成型，然后以水為介質(zhì)在25～50 MPa冷等靜壓10～15 min，最后在氬氣介質(zhì)中進(jìn)行為360～390 ℃、120～40 MPa熱等靜壓1～5 h，制備出了耐溫性好、高承載能力、高耐磨的PI樹脂基摩擦材料，在復(fù)雜工況下具有相對(duì)穩(wěn)定的摩擦因數(shù)和較低的磨損率［75］。

徐明坤等針對(duì)空間高精密軸承用多孔PI保持架的服役需求，較為系統(tǒng)地研究了結(jié)構(gòu)因素和冷-熱等靜壓工藝因素對(duì)多孔PI材料成孔性能的影響，討論了冷等靜壓過程中的主要致密化機(jī)制，工藝流程如圖3所示。隨冷等靜壓壓強(qiáng)增大和時(shí)間延長(zhǎng)，試樣的致密化程度不斷提高并逐漸趨于穩(wěn)定，較佳的熱等靜壓工藝為120～150 MPa、370 ℃保溫保壓1 h。冷等靜壓過程中的主要致密化機(jī)制為前期的粒子靠近、重排及中后期的剪切變形，該過程會(huì)從根本上影響PI的成孔性；提高熱等靜壓溫度和延長(zhǎng)保壓時(shí)間有利于獲得更大孔徑，該過程中主要致密化機(jī)制為高溫高壓下的剪切變形和塑性變形，利用封存的氣體受熱膨脹實(shí)現(xiàn)擴(kuò)孔［76］。徐明坤等還采用冷-熱等靜壓成型方法制備了雙尺度多孔PI（PPI），通過在90 MPa冷等靜壓15 min，然后390 ℃熱等靜壓2 h，所制備的PPI具有穩(wěn)定的低摩擦因數(shù)（0.096）和極低磨損率［0.68×10-6mm3/（N/m）］［77］。

圖3 冷-熱等靜壓制備多孔PI示意圖［76］Fig.3 Schematic diagram of porous polyimide prepared by coldhot isostatic pressing ［76］

采用冷-熱等靜壓方法能夠制備出密度高、成分均勻的高品質(zhì)制件，但工藝條件復(fù)雜、制備周期長(zhǎng)、效率較低、設(shè)備昂貴等不足限制了該工藝的實(shí)際工程應(yīng)用。有必要深入探究PI樹脂基復(fù)合摩擦材料在冷-熱等靜壓過程中組織及界面結(jié)構(gòu)等的形成、演化規(guī)律與機(jī)制，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步簡(jiǎn)化和優(yōu)化其冷-熱等靜壓工藝。

2.3 3D打印成型

3D打印成型具有高精度、低成本等諸多優(yōu)勢(shì)，并且能夠一體化成型幾何形狀復(fù)雜的構(gòu)件，解決PI復(fù)合摩擦材料加工困難的問題，因而受到越來越多的重視。目前，3D打印PI樹脂的研發(fā)及其配套的成型工藝是的研究熱點(diǎn)，打印方式主要有熔融沉積（FDM）、光固化（SLA）成型及直書寫3D打?。―IW）等［78］。

新型PI樹脂基復(fù)合摩擦材料的開發(fā)一直是PI樹脂基摩擦材料3D打印成型研究的重要內(nèi)容。丁鏡紅等采用苯乙炔基封端聚酰胺酸溶液（PAA）為基體，NaCl為致孔劑與流變性能調(diào)節(jié)劑，碳纖維（CF）為增強(qiáng)填料和流變性能調(diào)節(jié)劑，制備了3D打印多孔熱固性PI含油復(fù)合材料，該復(fù)合材料具有優(yōu)異的耐熱、儲(chǔ)油、出油性能及浸油摩擦學(xué)性能［79］。Guo等研究了數(shù)字光處理（DLP）3D打印的光固化PI油墨制備技術(shù)，制備了適用于逐層沉積、并且具有良好力學(xué)性能和耐熱性能的PI復(fù)合材料［80］。Zhang等通過分子設(shè)計(jì)和模擬計(jì)算，開發(fā)了一種適用于直接書寫打印機(jī)的墨水，以該墨水為基體配置的PI/MoS2復(fù)合油墨，經(jīng)3D打印制備了摩擦因數(shù)低且穩(wěn)定的梯度PI/MoS2，其磨損率與3D打印的純PI相比降低68 %［81］。

PI樹脂基復(fù)合摩擦材料的3D打印成型工藝是當(dāng)前研究的另一個(gè)熱點(diǎn)領(lǐng)域。WU等研究了打印溫度對(duì)TPI構(gòu)件層間黏合性能的影響，結(jié)果表明，TPI（M200，長(zhǎng)春高琦聚酰亞胺材料有限公司生產(chǎn)）適宜的3D打印溫度為320～340 ℃；在該溫度范圍，層間黏結(jié)力隨溫度升高呈先增大后減小規(guī)律，當(dāng)打印溫度為335 ℃時(shí)打印件的層間結(jié)合力有最大值，為344.5 N［82］。姚昕樂等對(duì)比研究了光固化3D打印與傳統(tǒng)涂膜成形工藝所制備TPI復(fù)合材料的力學(xué)性能、熱穩(wěn)定性及摩擦學(xué)性能，結(jié)果表明，為改善光固化3D打印成形而加入的活性稀釋劑和交聯(lián)劑對(duì)光敏PI的力學(xué)性能有一定提升作用，但削弱了減摩抗磨和耐熱性能：相較于涂膜成形試樣，3D打印樣品的耐熱性能降低了80 ℃，摩擦因數(shù)升高了0.08，磨損率增加了8.1×10-6mm3/（N·m）［83］。Yao等通過對(duì)聚四氟乙烯（PTFE）填充的光敏聚酰亞胺（PSPI）油墨進(jìn)行數(shù)字光處理和后熱處理，3D打印出了具有優(yōu)良力學(xué)性能、熱穩(wěn)定性和摩擦性能的PSPI-PTFE復(fù)合材料，摩擦因數(shù)和磨損率較PI樹脂分別大幅降低88 %和98 %，適用于制造復(fù)雜和特殊形狀的器件［84］。

3D打印雖然是極具潛力的PI樹脂基復(fù)合摩擦材料制備方法，但從已有研究來看，3D打印的PI復(fù)合材料構(gòu)件普遍存在層間結(jié)合力弱、收縮率高、表面粗糙度大等問題，并且受加工窗口窄、流動(dòng)性差等因素的影響，打印多組分復(fù)合摩擦材料困難。因此，開發(fā)流動(dòng)性強(qiáng)、收縮率低、相容性好的新型PI樹脂基復(fù)合材料及其配套的高效、高精度打印工藝，對(duì)3D打印PI樹脂基復(fù)合摩擦材料的發(fā)展意義明顯。

2.4 其他成型技術(shù)

2.4.1 注射成型

注射成型是一種廣泛使用的塑料制品生產(chǎn)技術(shù)，能夠高效生產(chǎn)外形復(fù)雜、尺寸精確的塑料制品，但需要具有良好流動(dòng)性才能快速充滿模腔，因此PI樹脂復(fù)合摩擦材料注塑成型方面的研究主要以TPI為主。

Liu等采用注塑成型方法制備了納米MoS2/TPI樹脂基復(fù)合摩擦材料，具體工藝過程如圖4所示：首先采用并聯(lián)雙螺桿擠壓造粒機(jī)制備MoS2納米粉末和TPI顆粒均勻混合的線材并切割為小顆粒，然后采用DKM注射機(jī)將混合顆粒熔化并注射成型為立方體；所制備的復(fù)合摩擦材料與純TPI相比雖然綜合力學(xué)性能有所下降，但摩擦學(xué)性能顯著提高，并且能夠有效抑制摩擦誘發(fā)的顫振和噪音［85］。宋艷江等采用注射成型和熱模壓成型2種工藝制備了TPI/碳纖維（CF）復(fù)合材料，對(duì)比了2種工藝產(chǎn)品的力學(xué)性能和摩擦磨損性能，發(fā)現(xiàn)注射成型復(fù)合材料的摩擦因數(shù)和磨損率分別為熱模壓成型的1.7倍和1.5倍［86］。楊培娟等采用注射成型方法制備了石墨和聚四氟乙烯改性的TPI樹脂復(fù)合材料，研究了成型溫度和壓力對(duì)其成型性和性能的影響，發(fā)現(xiàn)經(jīng)360 ℃、120～150 MPa注射成型的復(fù)合材料再經(jīng)200 ℃、30 min熱處理后表現(xiàn)出了優(yōu)良的綜合性能，能夠滿足汽車用止推墊圈的服役要求［87］。

圖4 納米MoS2/TPI樹脂基復(fù)合摩擦材料的注塑工藝流程［85］Fig.4 Injection molding process of nano-MoS2/TPI resin matrix composite friction material［85］

注射成型雖然是制備高品質(zhì)PI樹脂基復(fù)合摩擦材料的有效方法，但受PI樹脂難溶難熔、流動(dòng)性差等特性的影響，采用該方法制備PI樹脂復(fù)合摩擦材料還存在較多局限，開發(fā)流動(dòng)性更好的新型PI樹脂基體或復(fù)合材料，是推動(dòng)該方法在PI樹脂復(fù)合摩擦材料領(lǐng)域應(yīng)用的關(guān)鍵。

2.4.2 擠出成型

擠出成型是一種高效、成本低且適應(yīng)性強(qiáng)的成型方法，也是塑料成型最主要的方法之一，常用于制備PI樹脂基復(fù)合摩擦材料或薄膜。南京工業(yè)大學(xué)的王曉東等利用共混擠出方法制備了聚酰亞胺-聚四氟乙烯（PI-PTFE）復(fù)合材料，研究了PTFE含量對(duì)復(fù)合材料熱性能及摩擦性能的影響，發(fā)現(xiàn)制得的PI-PTFE復(fù)合材料兩相不相容，在250 ℃以下尺寸穩(wěn)定性較好，熱分解速率隨PTFE含量增加而增加；干摩擦?xí)r，隨PTFE含量增加復(fù)合材料的摩擦因數(shù)降低，但磨損率增加［88］。任小龍等介紹了PI樹脂薄膜擠出流涎系統(tǒng)的工作原理及其設(shè)備結(jié)構(gòu)，較為系統(tǒng)詳細(xì)地分析了擠出系統(tǒng)中平模頭、模頭支架等對(duì)PI薄膜制造過程和性能的影響，對(duì)PI樹脂薄膜的實(shí)際生產(chǎn)有一定參考價(jià)值［89］。

擠出成型一般與增材制造技術(shù)配合使用，通過將PI樹脂或其復(fù)合材料熔融后從加熱噴頭擠出，然后迅速冷卻、固化堆積后成型，要求打印材料具有一定的柔性、強(qiáng)度以及熔融后具有好的流動(dòng)性，但目前滿足上述要求的PI樹脂或其復(fù)合材料的發(fā)展還不成熟［90］。

2.4.3 熱壓罐成型

熱壓罐成型利用罐內(nèi)的高溫壓縮氣體產(chǎn)生的壓力對(duì)復(fù)合材料坯料進(jìn)行加熱加壓來完成固化成型，是樹脂基復(fù)合材料最成熟的成型工藝之一，廣泛用于航空航天領(lǐng)域大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)件制造。但熱壓罐成型設(shè)備的體積大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜且一次建設(shè)投入高，限制了該技術(shù)在PI復(fù)合摩擦材料成型領(lǐng)域的應(yīng)用。

3 結(jié)語

PI是我國(guó)新材料產(chǎn)業(yè)“十四五”規(guī)劃發(fā)展的重要材料之一，以PI樹脂為基體的高性能復(fù)合摩擦材料在航空航天、新能源汽車、以及各種高性能精密機(jī)械如電磁制動(dòng)器、超聲電機(jī)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。但目前PI復(fù)合摩擦材料的實(shí)際應(yīng)用還非常有限，民用領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用更是非常鮮見。促進(jìn)PI復(fù)合摩擦材料的進(jìn)一步工程應(yīng)用，需要在發(fā)展新型高性能PI及其復(fù)合材料的基礎(chǔ)上，開發(fā)配套的高質(zhì)量、高效成型技術(shù)。未來需要在以下幾個(gè)方面進(jìn)一步開展系統(tǒng)深入研究：

（1） 進(jìn)一步強(qiáng)化PI樹脂合成、改性等方面的基礎(chǔ)研究，開發(fā)成型溫度范圍廣、流動(dòng)性好、易加工且綜合力學(xué)性能、摩擦學(xué)性能優(yōu)良的新型PI樹脂及其復(fù)合摩擦材料。

（2） 繼續(xù)深入開展多組分PI復(fù)合摩擦材料成型過程中的組織、相、相容性、界面微結(jié)構(gòu)等的形成與演化機(jī)制研究，鞏固和優(yōu)化傳統(tǒng)成型技術(shù)的工藝基礎(chǔ)，著力解決3D打印等新技術(shù)存在的痛點(diǎn)問題，促進(jìn)高性能復(fù)合摩擦材料的高效、低成本成型工藝的快速發(fā)展。

（3） 結(jié)合計(jì)算機(jī)、人工智能等現(xiàn)代技術(shù)，大力開展PI樹脂基復(fù)合摩擦材料成型工藝的模擬與虛擬仿真技術(shù)，以提高成型工藝的優(yōu)化效率和節(jié)約試錯(cuò)成本。