机械轴承保持架用PLA/AF复合材料制备及力学性能研究

Preparation and Mechanical Properties Study of PLA/AF Composites for Mechanical Bearing Cage Applications

摘要

为提高聚乳酸（PLA）在工程结构部件中的应用性能，以芳纶纤维（AF）为增强相，通过熔融共混-热压成型制备PLA/AF复合材料，系统研究AF含量对复合材料力学性能、热稳定性、结晶行为、热变形温度、摩擦磨损性能及吸水率的影响。结果表明：AF的加入能够显著改善PLA的综合性能。当AF质量分数为6%时，复合材料力学性能最佳，其拉伸强度、弯曲强度和冲击强度分别达到69 MPa、113 MPa和5.9 kJ/m²，较PLA分别提高约19.0%、22.8%和37.2%。热重分析结果表明，AF能够提高复合材料的热稳定性，最大分解温度由360 ℃提高至约368 ℃。差示扫描量热分析表明，AF具有一定的异相成核作用，可促进PLA结晶，使结晶度由12.5%提高至18.1%。同时，复合材料的热变形温度随AF含量的增加而提高，在AF质量分数为9%时达到67.2 ℃。此外，AF的加入可降低复合材料的摩擦系数和磨损率，但吸水率略有增加。研究结果表明，适量AF能够显著提高PLA复合材料的力学性能、热性能及耐磨性能。

Abstract

To enhance the application performance of polylactic acid (PLA) in engineering structural components, aramid fiber (AF) was employed as the reinforcement phase, and PLA/AF composites were prepared via melt blending followed by hot-press molding. The effects of AF content on the mechanical properties, thermal stability, crystallization behavior, heat deflection temperature, friction and wear performance, and water absorption of the composites were systematically investigated. The results showed that the incorporation of AF significantly improved the overall performance of PLA. At an AF mass fraction of 6%, the composite exhibited optimal mechanical properties, with tensile strength, flexural strength, and impact strength reaching 69 MPa, 113 MPa, and 5.9 kJ/m², respectively, corresponding to increases of approximately 19.0%, 22.8%, and 37.2% compared with PLA. Thermogravimetric analysis indicated that AF enhanced the thermal stability of the composites, with the maximum decomposition temperature rising from 360 ℃ to approximately 368 ℃. Differential scanning calorimetry analysis revealed that AF exerted a certain heterogeneous nucleation effect, which promoted PLA crystallization and increased the crystallinity from 12.5% to 18.1%. Meanwhile, the heat deflection temperature of the composites increased with increasing AF content, reaching 67.2 ℃ at an AF mass fraction of 9%. In addition, the incorporation of AF reduced the friction coefficient and wear rate of the composites, although the water absorption increased slightly. The findings demonstrated that an appropriate amount of AF could substantially enhance the mechanical properties, thermal performance, and wear resistance of PLA composites.

Graphical abstract

关键词

芳纶纤维 / 聚乳酸 / 复合材料 / 力学性能 / 机械轴承保持架

Key words

AF / PLA / Composites / Mechanical properties / Mechanical bearing cage

机械轴承保持架是滚动轴承的关键部件之一，其主要作用在于均匀隔离滚动体并引导其正确运动，承受复杂的载荷与摩擦^[1-2]。因此，保持架材料需兼具高强度、耐磨性、优异的尺寸稳定性及良好的耐热性能，以满足其在高速、重载等苛刻工况下的长期服役需求^[3]。传统保持架多采用尼龙(PA)^[4]、酚醛树脂等石油基聚合物。尽管这些材料具有较好的综合力学性能和加工性，但在摩擦磨损过程中易产生磨屑且难以自然降解，在环保要求日益严格的背景下，其应用受到一定限制。因此，开发兼具优异力学性能和环保特性的生物基保持架材料成为研究热点。聚乳酸(PLA)作为一种来源广泛、可完全生物降解的脂肪族聚酯，具有良好的成型性和较高的刚性，展现出替代传统塑料的潜力^[5]。然而，PLA韧性不足、耐热性差及耐磨性欠佳等缺陷^[6]严重制约其作为轴承保持架等工程结构件的应用。为拓展PLA在工程领域的应用，对其进行增强改性势在必行。近年来，针对PLA的增强改性研究主要集中在引入高强度、高模量增强体以提升其力学性能^[7]。HEIDARI-RARANI等^[8]采用熔体共混FDM 3D打印技术制备连续碳纤维增强聚乳酸复合材料(CFR-PLA)，其拉伸和弯曲性能显著优于PLA，但存在高孔隙率问题；真空打印有助于降低CFR-PLA的孔隙率，从而提升其弯曲强度和模量^[9]。崔永辉等^[10]采用熔融浸渍工艺制备了连续玻璃纤维增强PLA (GFR-PLA)，其力学性能优异；偶联剂KH550的加入有助于抑制GFR-PLA的降解速率并改善界面结合^[11]。此外，竹原纤维^[12]和麻纤维^[13]等天然植物纤维可用于增强PLA复合材料，显著提升PLA的拉伸强度。尽管目前关于纤维增强PLA复合材料的研究已取得一定进展，但增强体多集中于碳纤维、玻璃纤维等传统材料，探索新型增强体以进一步优化性能仍十分必要。芳纶纤维(AF)凭借其超高强度、高弹性模量、优异的耐磨性及突出的耐热稳定性，被认为是理想的高性能聚合物增强材料^[14-15]。将AF与PLA复合有望在保持PLA生物基特性的同时显著提升其力学强度、模量及耐摩擦磨损性能^[16]。目前，针对AF增强PLA复合材料，特别是其在摩擦学部件应用领域的系统研究尚显不足。

因此，本研究采用熔融共混结合热压成型工艺制备PLA/AF复合材料，系统探究不同AF含量对复合材料力学性能、热稳定性、摩擦性能及吸水特性的影响规律，旨在为开发一种适用于机械轴承保持架的高性能生物基复合材料提供参考。

1 实验部分

1.1 主要原料

PLA颗粒，4032D，熔体流动速率约6 g/10 min(190 ℃，2.16 kg)，美国NatureWorks LLC公司；AF，平均直径10~12 μm，长度约3 mm，密度1.44 g/cm³，美国杜邦公司；马来酸酐接枝聚乳酸(PLA-g-MA)，接枝率约1.0%~1.5%，南京塑泰高分子材料有限公司；硬脂酸锌，化学纯，质量分数\ge98%，国药集团化学试剂有限公司；蒸馏水，实验室蒸馏水装置制备。

1.2 仪器与设备

电子天平，量程0~200 g，精度0.1 mg，瑞士梅特勒-托利多公司；真空干燥箱，控温范围室温~200 ℃，温度波动±1 ℃，上海一恒科学仪器有限公司；扭矩流变仪，RM-200C，转速范围0~150 r/min，哈尔滨哈普电气技术有限责任公司；平板硫化机，XLB-D350×350，最大压力20 MPa，青岛科高橡塑机械技术装备有限公司；电子万能试验机，Instron 5967，最大载荷30 kN，位移分辨率0.01 mm，美国Instron公司；悬臂梁冲击试验机，XJU-22，冲击能量范围1~22 J，承德市精密试验机有限公司；差示扫描量热仪(DSC)，DSC 250，温度范围-150~400 ℃，美国TA仪器公司；热重分析仪(TG)，TGA 550，温度范围室温~1 000 ℃，美国TA仪器公司；热变形温度测定仪，HDT/Vicat 6，德国Zwick/Roell公司；摩擦磨损试验机，MMU-5G，销-盘摩擦结构，载荷范围0~200 N，济南恒旭试验机技术有限公司；密度测试仪，AU-300S，测试精度0.001 g/cm³，日本Shimadzu公司。

1.3 样品制备

以PLA为基体材料，AF为增强相，同时加入PLA-g-MA作为界面相容剂，硬脂酸锌作为加工润滑剂，采用熔融共混-热压成型法制备PLA/AF复合材料。表1为PLA/AF复合材料的配方。

在制备复合材料前，首先对原料进行预处理。将AF剪切至约3 mm长后，置于60 ℃真空干燥箱中干燥6 h，以去除其表面吸附水分；PLA颗粒和PLA-g-MA在60 ℃条件下干燥4 h备用，以防止加工过程中因水分引起的热降解。按照表1中的配比准确称取PLA、AF、PLA-g-MA及硬脂酸锌，进行初步混合。随后将混合物加入扭矩流变仪中，在190 ℃、转速60 r/min条件下熔融共混8 min，使AF在PLA基体中均匀分散并促进界面相容剂在纤维与基体界面处发挥作用。混炼完成后，将所得复合材料取出冷却并粉碎成颗粒状。随后将颗粒状材料置于平板硫化机中，在190 ℃、压力10 MPa条件下热压成型5 min，在压力下冷却至室温后脱模，制得厚度约2 mm的PLA/AF复合材料板材。所得样品在温度23 ℃、相对湿度50%的环境条件下调湿处理24 h，以消除加工应力并稳定材料性能，随后用于后续力学性能、热性能及摩擦性能测试。

1.4 性能测试与表征

力学性能测试：拉伸性能按照GB/T 1040.2—2022进行测试，试样采用ⅠA型哑铃形试样，试验温度为23 ℃，拉伸速率设定为5 mm/min，试样尺寸为170 mm×20 mm×2 mm。在测试过程中记录材料的拉伸强度、断裂伸长率及拉伸弹性模量，每组样品测试不少于5个试样，取平均值。弯曲性能按照GB/T 9341—2008进行三点弯曲测试，跨距为64 mm，加载速率为2 mm/min，试样尺寸为80 mm×10 mm×2 mm。冲击性能按照GB/T 1843—2008进行测试，采用V型缺口，试样尺寸为80 mm×10 mm×2 mm，在常温条件下测定材料的悬臂梁缺口冲击强度，每组样品测试5个试样，取平均值。

TG和DTG测试：复合材料的热稳定性采用热重分析仪进行测试。在氮气气氛下进行测试，氮气流量为50 mL/min，样品质量约为5~10 mg。测试温度范围为30~600 ℃，升温速率为10 ℃/min。通过分析样品的TG及DTG曲线获得材料的初始分解温度(t_5%)、最大分解速率温度(t_max)以及残炭率，以评价AF对复合材料热稳定性的影响。

DSC分析：采用差示扫描量热仪进行复合材料的热转变行为测试。测试在氮气气氛下进行，氮气流量为50 mL/min，样品质量约为5~8 mg。测试温度范围为30~200 ℃，升温速率为10 ℃/min。通过DSC曲线分析材料的玻璃化转变温度(t_g)、冷结晶温度(t_cc)以及熔融温度(t_m)，计算材料的结晶度(X_c)，以探究AF对PLA结晶行为的影响。

热变形温度(HDT)测试：按照GB/T 1634.2—2019进行测试。试样尺寸为80 mm×10 mm×4 mm，在规定载荷(0.45 MPa)条件下进行测试。升温速率设定为120 ℃/h，当试样产生0.34 mm弯曲变形时所对应的温度即为材料的热变形温度。

摩擦磨损性能测试：采用摩擦磨损试验机进行测试。试验采用销-盘式摩擦副结构，在室温条件下进行。试验载荷为20 N，滑动速度为0.2 m/s，摩擦时间为30 min。试验过程中实时记录摩擦系数变化，通过测量试样试验前后的质量变化计算材料的磨损量，以评价AF含量对复合材料摩擦性能的影响。

密度及吸水率测试：复合材料的密度按照GB/T 1033.1—2008中阿基米德排水法进行测定。吸水率按照GB/T 1034—2008进行测试。将试样在50 ℃条件下干燥至恒重后称取初始质量，将试样完全浸入蒸馏水中，在23 ℃条件下浸泡24 h，取出后用滤纸擦去表面水分并迅速称量其质量。

2 结果与讨论

2.1 PLA/AF复合材料的力学性能分析

表2为PLA/AF复合材料的力学性能。

从表2可以看出，随着AF含量增加，PLA/AF复合材料的拉伸强度呈现先升高后下降的变化趋势。PLA样品(AF0)的拉伸强度约为58 MPa。当AF质量分数为3%时，拉伸强度提高至63 MPa；当AF质量分数为6%时，拉伸强度达到最大值，为69 MPa，较PLA提高约19.0%。这表明适量AF能够有效增强PLA基体。其原因在于AF具有较高的强度和模量，在复合材料中能够作为增强相，通过纤维-基体界面实现应力传递，从而提高材料整体承载能力^[17]。同时，适量纤维在基体中分散较为均匀，可在一定程度上阻碍裂纹扩展。然而，当AF质量分数继续增加至9%和12%时，拉伸强度分别下降至66 MPa和62 MPa。这可能是由于纤维含量过高，团聚现象增加，在界面处形成应力集中，从而降低材料强度。弯曲性能变化趋势与拉伸性能基本一致。PLA样品的弯曲强度约为92 MPa。当AF质量分数为3%时，弯曲强度提高至105 MPa；当AF质量分数为6%时，弯曲强度达到最大值，为113 MPa，较PLA提高约22.8%。这是因为AF具有较高刚性，在弯曲载荷作用下能够承担部分外部载荷，同时均匀分散的纤维能够增强复合材料结构稳定性。当AF质量分数增加至9%和12%时，弯曲强度分别下降至109 MPa和102 MPa，这主要与高含量纤维分散性下降及界面结合减弱有关。在冲击性能方面，PLA样品的冲击强度约为4.3 kJ/m²。当AF质量分数为3%时，冲击强度提高至5.1 kJ/m²；当AF质量分数为6%时，冲击强度达到最大值，为5.9 kJ/m²，较PLA提高约37.2%。这说明AF能够显著提高PLA复合材料的韧性。在冲击过程中，纤维能够通过纤维拔出、界面脱黏及裂纹偏转等机制吸收冲击能量，从而提高材料的抗冲击性能。当AF质量分数进一步增加至9%和12%时，冲击强度分别下降至5.5 kJ/m²和5.0 kJ/m²，这可能与纤维团聚及界面缺陷增多有关^[18]。综合分析可知，AF在适量添加(约质量分数6%)时能够在PLA基体中实现良好分散并形成有效的应力传递网络，从而显著提升复合材料的强度和韧性；而当含量过高时，由于团聚及界面缺陷的影响，材料力学性能反而有所下降。

2.2 PLA/AF复合材料的热稳定性分析

图1为PLA/AF复合材料的TG和DTG曲线。从图1a可以看出，PLA及其复合材料在升温过程中均表现出典型的单阶段热分解特征^[19]。当温度低于约300 ℃时，各样品的质量基本保持稳定，说明材料在该温度范围内具有较好的热稳定性。随着温度进一步升高，材料开始发生明显的热分解，质量迅速下降，其主要分解区间集中在330~390 ℃之间，这与PLA分子链发生随机断裂并生成挥发性小分子产物有关。从图1b可以看出，所有样品均只有一个明显的DTG峰值，表明材料的热降解过程主要为单一阶段分解，这与PLA基体的热分解机理相一致。PLA的t_max约为360 ℃，而当AF质量分数增加至6%时，t_max提高至约368 ℃，说明复合材料在更高温度下才达到最大分解速率，进一步证明AF的加入能够有效提高材料的热稳定性。此外，从图1a末端的残炭率可以看出，不同样品在600 ℃时均存在一定的残炭率，随着AF含量的增加，残炭率呈明显上升趋势。PLA在600 ℃时的残炭率仅约为0.7%，而当AF质量分数增加至12%时，残炭率提高至约3.5%。这是由于AF具有较高的耐热性，在高温条件下不易完全分解，并能够形成一定量的稳定炭化残留，从而提高复合材料的残炭率。综上可知，适量AF的引入能够在一定程度上提高PLA基复合材料的热稳定性，表现为t_5%和t_max的升高以及残炭率的增加。其中，当AF质量分数为6%时，复合材料表现出较为优异的热稳定性能。这表明AF在复合材料体系中不仅能够增强材料的力学性能，同时也能够在一定程度上改善其热稳定性，为该类复合材料在工程领域中的应用提供了良好的热性能基础。

2.3 PLA/AF复合材料的DSC分析

图2为PLA/AF复合材料的DSC曲线。表3为PLA/AF复合材料的DSC热性能参数。从图2可以看出，PLA及其复合材料在升温过程中均表现出典型的热转变行为^[20]，主要包括玻璃化转变、冷结晶和熔融3个阶段。当温度升至约60 ℃附近时，各样品均出现明显的基线变化，对应于PLA的玻璃化转变过程。各样品的t_g均在60~61 ℃之间，变化幅度较小，说明AF的加入对PLA分子链段的微观运动影响有限。这主要是由于AF在复合体系中主要起增强填充作用，其对PLA链段运动的限制作用相对较弱，因此t_g变化不明显。随着温度继续升高，在105~112 ℃范围内各样品均出现明显的放热峰，对应于PLA的冷结晶过程。从表3可以看出，PLA的t_cc为112.3 ℃，而当加入AF后，t_cc明显向低温方向移动。当AF质量分数为6%时，t_cc降低至约106.4 ℃。该现象表明AF在复合材料中能够起到一定的异相成核作用，在结晶过程中为PLA分子链提供成核位点，从而促进PLA在较低温度下发生结晶。因此，随着AF含量的增加，PLA的t_cc整体呈下降趋势。当温度进一步升高至约167~169 ℃时，各样品均出现明显的吸热峰，对应于PLA晶体的熔融过程。不同样品的t_m均集中在约168 ℃附近，变化幅度较小，说明AF的加入对PLA晶体结构类型的影响不显著。一般认为，t_m主要取决于晶体结构的稳定性，而AF主要作为增强相分散于PLA基体中，并未改变PLA的晶体结构类型，因此t_m基本保持稳定。

通过熔融焓(ΔH_m)和冷结晶焓(ΔH_cc)可以进一步计算复合材料的X_c^[21]。从表3可以看出，随着AF含量的增加，复合材料的X_c呈现出先升高后略微下降的变化趋势。其中，PLA的X_c约为12.5%，而当AF质量分数为6%时，X_c提高至18.1%，达到最大值。这表明适量AF的加入能够有效促进PLA的结晶行为，其原因在于AF作为异相成核剂，能够为PLA分子链提供更多的成核位点，从而加快结晶速率并提高X_c。然而，当AF质量分数进一步增加至9%和12%时，X_c略有下降，这可能是由于过多纤维在基体中分散不均匀，限制了PLA分子链的运动，从而在一定程度上抑制晶体的进一步生长。

2.4 PLA/AF复合材料的HDT分析

图3为PLA/AF复合材料的HDT。从图3可以看出，随着AF含量的增加，复合材料的HDT整体呈现先升高后略微下降的变化趋势。PLA样品(AF0)的HDT约为58.3 ℃，表明PLA在较低温度下即可发生明显的热变形^[22]，这主要是由于PLA本身为半结晶聚合物，其t_g较低，在外加载荷作用下材料在较低温度下即可发生形变。当加入AF后，复合材料的HDT明显提高。当AF质量分数为3%时，复合材料的HDT提高至约61.7 ℃；当AF质量分数增加至6%时，HDT进一步提高至约65.9 ℃。这主要是由于AF具有较高的模量和优异的耐热性能，在复合材料中能够形成一定的增强骨架结构，从而有效提高材料在受热条件下抵抗形变的能力。同时，AF与PLA基体之间的界面作用能够在一定程度上限制PLA分子链段的运动，使材料在较高温度下仍能够保持较好的结构稳定性，因此HDT明显提高。当AF质量分数继续增加至9%时，复合材料的HDT达到最大值，约为67.2 ℃。说明在该含量下，AF在PLA基体中具有较为均匀的分散状态，能够有效承担外部载荷并限制基体形变，从而显著提升复合材料的耐热变形能力。然而，当AF质量分数进一步增加至12%时，HDT略有下降至约66.4 ℃。该现象可能是由于较高含量的纤维在PLA基体中容易发生局部团聚，使复合材料内部结构不均匀，从而在受热和受载条件下形成应力集中区域，使材料的耐热变形能力提升受到一定限制。此外，过多的纤维还可能在一定程度上降低基体的连续性，从而影响复合材料整体结构的稳定性。

2.5 PLA/AF复合材料的摩擦性能分析

图4为PLA/AF复合材料的摩擦系数与磨损率。从图4a可以看出，在摩擦测试初期，各样品的摩擦系数均出现一定程度的波动，这是由于试样表面与对偶摩擦副之间尚未形成稳定的接触状态，摩擦界面处于磨合阶段^[23]。随着摩擦时间的延长，摩擦界面逐渐形成较为稳定的接触状态，各样品的摩擦系数趋于稳定，表明摩擦过程进入稳定磨损阶段。从整体趋势来看，PLA (AF0)的摩擦系数相对较高，平均摩擦系数约为0.42。当加入AF后，复合材料的摩擦系数有所降低。例如，当AF质量分数为3%和6%时，复合材料的平均摩擦系数分别降低至0.39和0.36。这主要是由于AF具有较高的强度和耐磨性，在摩擦过程中能够在一定程度上承担摩擦载荷并减少PLA基体的直接磨损。同时，AF的加入能够提高复合材料的整体刚性，使材料在摩擦过程中不易发生严重塑性变形，从而降低摩擦系数。当AF质量分数继续增加至9%和12%时，摩擦系数略有上升，但仍低于PLA。这可能是由于较高含量的纤维在PLA基体中容易发生局部团聚，使复合材料内部结构均匀性降低，在摩擦过程中可能产生微小颗粒脱落，从而导致摩擦系数出现一定程度的波动和上升。从图4b可以看出，随着AF含量的增加，复合材料的磨损率呈现出先降低后略微升高的变化趋势。PLA的磨损率最高，约为4.8×10^-4 mm³/(N·m)，说明PLA在摩擦过程中较容易发生材料脱落和磨损。当加入AF后，复合材料的磨损率明显降低，其中当AF质量分数为6%时，磨损率降低至约2.9×10^-4 mm³/(N·m)，表明复合材料在该含量下具有最佳的耐磨性能。该现象主要归因于AF在复合材料中形成一定的增强结构，在摩擦过程中能够有效承受部分摩擦载荷，减少PLA基体的磨损。同时，纤维的存在能够在摩擦表面形成较为稳定的磨损层，从而降低材料表面的磨损速率^[24]。然而，当AF质量分数进一步增加至9%和12%时，磨损率略有上升。这可能是由于过量纤维在基体中分散不均匀，在摩擦过程中容易发生纤维脱落或界面剥离，从而产生额外磨屑，导致磨损率有所增加^[25]。

2.6 PLA/AF复合材料的密度及吸水率分析

对不同AF含量的PLA/AF复合材料进行了密度与吸水率测试。图5为PLA/AF复合材料的密度与吸水率。从图5a可以看出，随着AF含量的增加，复合材料的密度呈现出逐渐升高的趋势。PLA样品(AF0)的密度约为1.24 g/cm³；而当AF质量分数分别为3%、6%、9%和12%时，复合材料的密度逐步增加至约1.26、1.28、1.30、1.32 g/cm³。该现象主要与AF自身较高的密度有关^[26]。相比PLA基体，AF具有更高的材料密度，因此随着AF含量的增加，复合体系中高密度增强相的比例逐渐提高，从而导致复合材料整体密度呈现逐步上升的趋势。此外，纤维在基体中的填充作用能够在一定程度上减少材料内部的微孔结构，使复合材料结构更加致密，这也在一定程度上促进了密度的增加。从图5b可以看出，随着AF含量的增加，复合材料的吸水率整体呈现出逐渐升高的趋势。PLA的吸水率约为0.42%，表明PLA本身具有较低的吸水能力^[27]。加入AF后，复合材料的吸水率有所增加。当AF质量分数为3%和6%时，吸水率分别提高至约0.48%和0.54%；当AF质量分数进一步增加至9%和12%时，吸水率继续上升至约0.61%和0.68%。该现象主要是由于AF在复合材料中形成了较多的纤维-基体界面区域，而界面区域往往存在一定的微观空隙或毛细结构，在吸水过程中容易形成水分扩散通道，从而促进水分进入材料内部^[28]。此外，随着纤维含量的增加，复合材料内部界面数量不断增加，这些界面结构在一定程度上提高了材料对水分的吸附能力，因此吸水率逐渐升高。

综上所述，AF的加入对PLA复合材料的密度和吸水率均产生了一定影响。随着AF含量的增加，复合材料密度逐渐提高，而吸水率也呈现出逐步上升的趋势。这表明在提高复合材料力学性能和热性能的同时，AF的引入也会在一定程度上增加材料的吸水倾向。因此，在实际应用过程中需要综合考虑复合材料的结构性能与环境适应性，以获得更加稳定可靠的材料性能。

3 结论

采用熔融共混-热压成型工艺成功制备了不同AF含量的PLA/AF复合材料，并系统研究了其结构与性能变化规律。结果表明：AF的加入能够显著改善PLA复合材料的综合性能。随着AF含量增加，复合材料的拉伸强度、弯曲强度及冲击强度均呈现先升高后下降的趋势，其中AF质量分数为6%时综合力学性能最佳。TG结果表明，AF能够提高复合材料的热稳定性。DSC分析表明，AF在体系中具有一定的异相成核作用，可促进PLA结晶并提高结晶度。HDT测试表明，复合材料的耐热性能得到明显改善，在AF质量分数为9%时HDT达到最大值。摩擦磨损测试结果表明，AF的加入能够降低复合材料的摩擦系数和磨损率，提高材料的耐磨性能。此外，随着AF含量的增加，复合材料密度逐渐升高，而吸水率略有增加。综合来看，适量AF能够显著提升PLA复合材料的力学性能、热性能及摩擦性能。当AF质量分数为6%时，复合材料表现出较优的综合性能。研究可为PLA基复合材料在机械轴承保持架等摩擦部件中的应用提供参考。

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基金资助

河南省科技攻关项目(262102220080)

河南省职业教育教学改革研究与实践项目(豫教［2024］05904)

鹤壁职业技术学院2025年度校本重点科研课题(2025-SKZD-004)

鹤壁职业技术学院2025年度校级创新团队(2025ZK04)