4合材料的摩擦磨损性能及磨损机理研究

‰畿铲 ⋯训‰警意。。烹i。掌盘妇。峨 V暂i。∥10㈣年7J】 MateriaIsf(】r MechanlcalE“91neeⅢ19 J“1‘ ‘”“。’ 碳纤维增强尼龙1010复合材料的摩擦磨损性能 及磨损机理研究 王军祥。顾明元 (上海交通大学金属基复合材料国笨重点实验室．上海2()0030) 摘要：以注塑成型法制备了尼龙1010及碳纤雏(CF)增强尼龙1010复合材料，研究了CF含 量和载荷对材料摩擦学性能和磨损机制的影响。结果表明，cF的加入可显著改善尼龙的摩擦学 }生能，以体积分数为20％的CF增强尼龙1010复合材料的耐磨性能最好。较低的CF含量下复合 材料磨损表面主要受到对偶钢环上微凸峰的切削和犁沟作用，较高栽荷时发生了热疲劳剥层磨损； 随着(：F含量增加，复合材料表面在较高栽荷时产生明显疲劳断裂，并使对偶钢环产生较剧烈磨 损。 关键词：尼龙1010；碳纤维；摩擦学性能；磨损机理 中图分类号：TB332；THll7文献标识码：A 文章编号：1000—3738(2003)07一∞14一04 TribologicalBehaviorsandWearMechaIlismofCarbonFiberReinforced Nyl伽1010C伽’posjtes WANGJun_xiaⅡg，GUMin窖-yIIan (ShanghaiJja。to“gUniversity，Shanghai200030．(：hina) Abstract：A耐cro1埘ectionnlachlnewasusedtopreparea11thespeclmensofnylonlOlOandcarbonflber (【：F)reln{orcednylon1010composltes．Iheeffectsofva^ousloadsonthetri})()109lcalpmp叮ti㈣n(1w∞rmecha— nJsInof【onlpositeswereirⅣestigated．TheresuhsshowthatCFcallcon5iderablyu”provethetribol091calproperties ofnylon1010composit㈣nd20vol％C卜nylon10lOhas小ehlghestwear北slstancelnvanousco小entHofCF fllledlnnvlon1010ItwasfoundthattheⅥfomsurfaceofnvloncompositesrelnforcedwithlowcontentofCFwas mifr0_cumngandmicro_ploughingbytherldgeofthecounter壬acesurfaceunderalowernomalload．Comparatlve 1y，Lhdo删nantwearmechanlsmwasthennorfat坦uewearw1Lhpeell。喧offpanlckswl】1kload1ncfeased∞400N Adeanwhle，atahighercontento{cF|newnpositesandhghercompressivepresscondit|ons，fatiguewearwithevi denLlymIcr0_crackir培arousedinLhe“bbingsurface．Inaddlt地n，higller∞ntemofCFMinfor㈣entwould蜘hance thesevereabraslvewearofcounte讦acelron Keywords：NylonlOl0；carbonfiber；t打1)ologlcalproperty；wearmechanlsnl l 引 言 尼龙分亍二链间易生成氢键，由分子链与酰胺极 性基团引起的范德华力和氢键力使其分子阃作用力 增大，因此尼龙在干摩擦时具有较高的摩擦系数。 同时，尼龙djf：氢键的存在而具有较高的力学性熊， 耐磨性能较好；加人高性能纤维可进一步提高其综 合性能指标”。3]。作者主要进行碳纤维(cF)增强 收稿日期：20u2一07一17；修订日期：2。。209_02 基金项目：江苏省自然科学基金资助项目(BJ98儿7) 作者简介：壬军样(1971一)，男，江苏连云港人．博士后 ·14· 尼龙lolo复合材料在不同载荷下的摩擦学特性及 磨损机理研究。 2试样制备及试验方法 试验用碳纤维为南京玻纤院提供的磨短聚丙烯 腈(PAN)纤维，其长丝直径为7pm，长径比为5～8。 碳纤维在55％HN03溶液中处理2h后取出，用沸 腾的蒸馏水反复洗涤，直至水为中性，然后在干燥箱 内110℃下烘干备用。所用聚合物基体为上海赛璐 珞公司生产的尼龙10】o粉末，其粒径不大于 175pm。碳纤维和尼龙lolo充分机械共混后，送人 万方数据 r军祥．等；碳纤维增强尼垄!!!!墨盒塑型塑!簦堕堡竺堂坚竺塑!!兰里!至 一—————，————————————_————————————————————————————————————————一 wzMI剐微犁注塑HL中以i℃jn·in的速率加热军 混料完全融化，注射到温度为llo～130℃的模具内 成型 ． 住MM200型磨损试验机上按(jH39【10。。83进 行摩擦磨损试验。试验前用AlzO。砂纸打磨试块 和45钢环<40～4讣{RC)偶件，表面粗糙度分别为 o．50～o．70“n1和o．15～o．2pm。摩擦时间为2h． 滑动速度为o．43m／s。用感量为o．01mg的电子灭 平测定磨损质量损失，并根据聚合物基体和填料的 密度以及试验参数将磨损质量换算为体积磨损率。 用JsM一5600I。v型扫描电子显微镜(sEM)对磨损 表面进行分析。 3结果与讨论 3．1摩擦磨损性能 表1孽擦磨损性能表明，尼龙的摩擦系数和磨 损率均随载荷的增大而增加。分析认为载荷对尼龙 性能影响是通过温度的变化和转移膜生成引起的， 在较高度力作用下，因摩擦热积聚导致尼龙基体的 力学性能下降，在偶件上形成的转移膜也难以保持。 在20()N载荷下，尼龙试样磨损30～35min后，大片 状磨屑突然增多而磨损失效。 表l不同载荷下尼龙1010的摩擦磨损性能 Tab_1netestlng惜Illtsof衔c“蛐蛐dwe盯perfb唧锄ce ofnylon1010咖d盯vario吣J岫凼 载荷／N 摩擦系数 o^5O63 O．75剧烈磨损 磨损率／lo6mm3(Nm)一13．2 9．7 l7 5 剧烈磨损 图l和表1比较可见，在5％～30％体积分数 范围，(：F的加入可明显改善尼龙的摩擦学性能。在 looN载荷下，cF尼龙复合材料的摩擦系数比纯尼 龙降低了一半以上，耐磨性则提高了l～2个数量 级。图1a可见，随cF含鼍的增加，复合材料的摩 擦系数逐渐降低，这主要因CF的石墨层结构本身 具有自润滑性能，另CF的加入减少了复合材料和 对偶的实际接触面积以及粘结点的剪切撕裂程度。 同时．尼龙复合材料的摩擦系数随外加载荷增大而 下降，尤其在400N的高载荷下，摩擦系数降幅尤为 明显。图1b可见，在较低载荷下(F一100N)，其磨 损率随cF含量的增加而降低；较高载荷下，以20％ CF的耐磨性能最优。当纤维含量过少，纤维因拉伸 或剪切而断裂，增强效果并不明显；而纤维含量超过 限度，纤维磨损断裂的碎片以及纤维从基体中脱离 三 主 < i 口= ： i _IjlL 《 世 cF体积分数，％ (a)摩擦系数 tb)磨损率 图1不同载菏下碳纤维台量对增强尼龙1010 复仓材料唯擦学性能影响 Fl目lF‰d。fthec。rltenl。fCFotlrhetrmologI明】pr。pertles ofnylon1010哪mposlt刚1tlde㈨ous10ads 增多，易破坏复合材料和对偶副之间形成的转移膜， 从而导致材料的磨损性能变差L4j。 3．2磨损表面的显微组织及磨损机理分析 图2可见，looN载荷下的磨损表面上有平行于 滑动方向的犁沟和划痕，因此尼龙lolo的磨损机制 以磨粒磨损为主。200N载荷下由于尼龙的热稳定 性较差，摩擦界面产生热积聚使得材料出现融化或 降鳃，在高应力作用下因流变挤出而发生剧烈磨损。 cF增强尼龙材料试样没有发生此类现象，表明CF 加入提高了材料的热稳定性。 图3为200N和400N的干摩擦条件下，不同体 积分数的cF增强尼龙1010复合材料培损后的 sEM形貌。可见，200N载荷下】O％CF的磨损表 面较为粗糙且有较深的犁沟(图3a)，这表明复合材 料表面主要受对偶钢环l二微凸尖峰的切削和犁沟作 用，导致r材料的剧烈磨粒磨损。当外加载荷较高 时，在两接触面间的粘着力或机械啮合力大于尼龙 的内聚?J时，将会发生材料表面损伤层的转移现象。 图3b可见，400N载荷下表面有大块的磨屑剥落， 困此认为复合材料表面发生了热疲劳剥层。图3c、 e中可见小载荷下碳纤维磨平、磨细和断裂现象。 高载荷下由于摩擦副接触区域的机械效应和热效应 ·】5· ：轻峨始衄 ． 万方数据 下军祥．等：碳纤维增强尼龙101o复合材料的摩擦磨损性能及磨损机理研究 (b)载荷200N 罔2尼龙lOlO磨损表面的sEMJf；貌 Fl*2SEM哪phologl⋯f㈣舢】rbc㈣f“ylon1010 等进一步增强，加速了表层和亚表层裂纹的生成和 扩展耐发生了疲劳断裂。同时，在磨损表面覆盖了 一层浅颜色的膜，经x射线能量色散谱分析，证实 为对偶铁元素的转移。这是磨损表面的纤维及纤维 断裂脱落的碎片在高应力下也对钢环表面产生较强 的磨粒磨损作用，形成的铁磨屑在进一步的摩擦过 程中被压延和拉伸，并连接起来形成部分连续的转 移膜覆盖在复合材料表面上”]。该转移膜的形成虽 然可以部分阻止复合材料与钢环之间的直接接触， 但却进一步加剧了对对偶钢环的犁削作用，使得摩 擦副间磨损更加剧烈。从图3f可见，30％cF复合 材料上铁的转移膜比20％的更加明显，这也是20％ cF增强尼龙lolo的耐磨性优于相同试验条件下 30％CF增强尼龙】0lo的原因。 4结论 (1)在<200N的载荷条件下，尼龙摩擦系数 和磨损率均随载荷增加而快速增大，在200N载荷 下尼龙因熔融流变挤出而发生磨损失效。 (2)cF的加入可明显改善尼龙的摩擦学性能， 100N载荷下的CF尼龙复合材料耐磨性比纯尼龙 提高1～2个数量级。在较高载荷下，20％体积分数 的cF增强尼龙复合材料的耐磨性能最好。 (3)在较高载荷下，较低CF含量的尼龙复合 材料主要磨损机制为热疲劳剥层磨损；随CF含量 增大，复合材料表面产生明屁的疲劳断裂，同时有对 偶铁磨屑的转移和积聚。 ·1R· (f)30％cF，载荷400N 图3不同体税分数cF增强尼』邑lolo复台材料 磨损丧可的sEM形貌 F。g3 sEMrnorph。l。glcs。f啪mSu—acesof⋯louswl㈣ⅡtentCF州nforcednylon1010composItes 万方数据 F军祥．等：碳纤维增强尼龙10lo复台材料的摩擦磨损性能及磨损机理研究 参考文献： [3jT⋯¨IJs，蹦wcJ，MathrJu，eta1№砌刚nabraslVc ⋯r()fcarbonflb⋯einhrfcdpulv删dccomposltes[J]T¨ [1]hm”。¨?恤如hr舯01‘?幽““¨”叭叫Mal。，：黑：b山gyI眦㈣㈣出1992，强s3_6。．“”l州’⋯‘k⋯”m57“8‘：17m””hj：1譬。=1蛐”鼍掣。?j“[4]土军样，葛f吐荣．张晓云．等纤维增强聚合物复合树料的摩“¨一w“l、f““一”幽⋯¨⋯””“J]№“””’191： ⋯蒜磊袅i鬣jj“毒蒜；报，!oojm(1)瑚Ⅷ． 嘲囊釜鉴麓；紫裟掣紫黛 阳1 i氇鬻兰戮i鬻能研舡叫兰龙复☆材料摩擦学性能彩响[J：摩擦学学报．2∞l，2l(2) 。’ ⋯⋯。⋯⋯’。 。 上接第13页) (a)1。试科9{o℃真氏体化 (b)3。试样930℃奥氏倬化 (c)3。试样1030℃奥氏体化 圈3砷(T1)。对TEM形貌的影响30o∞× Flg．3Eff州甜：u(Ti)。contentonTEMmorph。l嘴lcs 质点的钉扎，66粒长大而粗化。析出相质点对单位 面积晶界的最大钉扎力(一)与晶界能(E)、析出相 质点的体积分数(≠)和尺寸(r)有关一⋯，它们之间的 关系为： F。一6≠E／(口r) 可见，析出相质点的数量越多，尺寸越小，对晶界的 钉扎力越大，晶粒就越细，且越不容易粗化。 由表2可知．】。试样的”(Ti)。很低．所以析出 的Tic质点的数量很少(图3a)，对奥氏体晶界的钉 扎力小，故奥氏体晶粒较粗，晶粒粗化温度低 (840℃)。3“试样的W(Ti)。较多，可析出大量细小 的Tic质点(图3b)，对奥氏体晶界的钉扎力大。晶 界要运动，就要在较高温度下使Tic质点部分溶解 和聚集长大而降低钉扎力．故35试样的奥氏体晶粒 细小，奥氏体晶粒粗化温度显著提高(980℃)。由于 受析出相溶解度的限制，”(Ti)。再增加，而细小的 TiC质点的数量变化不大，故4”和5。试样的晶粒 尺寸和粗化温度与3。试样相比变化不显著。 随奥氏体化温度的提高，析出相质点由于溶解 和畴twald熟化过程”]，尺寸增加，数量减少(图 3c)，质点对晶界的钉扎力也随之降低，并逐渐失去 对晶界的钉扎作用。因此，试样的奥氏体化温度越 高，奥氏体晶粒越粗。 4结论 (1)w(Ti)。是决定试验用钢奥氏体晶粒度和 奥氏体晶粒粗化温度的主要因素。 (2)随zu(Ti)。增加，试验用钢的奥氏体晶粒尺 寸减少，晶粒粗化温度提高。 (3)当"(，I、1)。超过o．031％时，试验用钢的奥 氏体本质晶粒度可达7级以上，晶粒粗化温度达 980℃以上。w(，I、i)。继续增加，奥氏体晶粒度和晶 粒粗化温度变化不大。 参考文献： [1]YamanakaK，Oh⋯1Y Effed。fb㈣011rran5f。mat旧nof l。眦arbon1。"all吖mcls[J]1raIlsAIMF，1977，l7(2)： 93一10l_ [2]井上毅，台子见二J。外⋯雅雄．水口二／钢。才一五于彳h粒度k 及C|亨压延温度，前处理。影响[J]敛已钢，1982，68s533． 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采用空气氧化法对碳纤维进行表面处理,以注塑成型法制备碳纤维增强尼龙1010复合材料.研究发现表面处理碳纤维可明显提高增强尼龙复合材料的 拉伸强度和摩擦学性能,其中摩擦系数较未处理碳纤维增强降低了30%～50%,而耐磨性提高了2～3倍.用扫描电镜对拉伸断口和磨损表面形貌分析发现,表 面处理可显著改善碳纤维和尼龙基体间的界面结合性能.最后对影响表面处理碳纤维增强复合材料性能的作用机理进行了初步分析. 2.学位论文 王军祥 填料改性尼龙复合材料的摩擦学机理及行为研究 2001 该论文选择了碳纤维(CF)和无机填料改性聚合物基复合材料的摩擦学性能研究和材料设计作为主要研究方向.以湿法混合塑成型制备了尼龙 1010(PA1010)基复合材料.在干摩擦条件下,系统考察了各种实验参数对尼龙1010及表面处理的碳纤维增强尼龙1010复合材料的摩擦磨损性能影响,揭示了 不同测试条件下的磨损机制及瞬时摩擦状态向稳定摩擦状态转变的规律.分析表明无机填料填充尼龙复合材料的摩擦磨损特性同转移膜的组成和性质密切 相关,而转移膜的性质受摩擦学系统系统因素的影响,而不单纯取决于转移膜同偶件材质间的结合强度.研究了不同填料含量和不同混杂增强尼龙1010自润 滑复合材料的摩擦学性能,提出了不同填料在摩擦过程中的反应机制和协同效应,并以磨屑的压滑-整平模型解释了CuO、CaF<,2>分别和CF混杂增强复合材 料的转移膜形成机理和摩擦学特性.系统地开展了水润滑下尼龙1010及基复合材料的润滑和磨损机理研究,揭示了协同润滑下不同的填料对尼龙1010复合 材料摩擦学性能的影响. 3.期刊论文 葛世荣.张德坤.朱华.王军祥 碳纤维增强尼龙1010的力学性能及其对摩擦磨损的影响 -复合材料学报 2004,21(2) 用碳纤维填充尼龙1010制备了碳纤维增强尼龙复合材料,并对碳纤维增强尼龙复合材料的力学性能和摩擦学性能进行了实验研究.力学实验结果表明 :碳纤维增强使尼龙复合材料的拉伸强度、表面硬度增大,碳纤维增强尼龙材料的拉伸强度在20 %碳纤维含量时达到最大值;碳纤维表面处理对尼龙复合材 料的拉伸强度有很大影响,碳纤维表面氧化处理提高了碳纤维增强尼龙复合材料的拉伸强度.摩擦磨损实验表明:碳纤维增强尼龙复合材料的摩擦系数和磨 损率与其拉伸强度和硬度有密切关系.随着拉伸强度和硬度的提高,尼龙复合材料摩擦系数和磨损率降低;摩擦系数和磨损率与拉伸强度具有反比关系,与 材料硬度具有二次方程关系,与碳纤维填充量之间存在负指数变化规律. 4.期刊论文 王军祥.顾明元.朱真才.葛世荣.刘维民 碳纤维和二硫化钼混杂增强尼龙复合材料的摩擦学性能研究 - 复合材料学报2003,20(2) 以注塑成型法制备MoS2和碳纤维混杂增强尼龙1010复合材料,采用MM-200型磨损试验机考察复合材料摩擦磨损性能.研究结果表明:在干摩擦条件下 ,MoS2和碳纤维混杂可显著改善尼龙复合材料摩擦学性能,较小载荷下复合材料磨损以轻微磨粒磨损和疲劳磨损为主,较高载荷下复合材料则以热疲劳断裂 剥落磨损为主.摩擦过程中MoS2和对偶铁发生摩擦化学反应,生成和对偶底材具有较强结合能力的硫化亚铁和硫酸铁等,同时部分被氧化生成MoO3. 5.学位论文 雷泽鑫 短切碳纤维增强热塑性树脂尼龙1010复合材料的研究 1989 6.期刊论文 狄西岩.赵峰.雷渭媛 短纤维增强尼龙1010耐磨性复合材料性能的研究 -塑料工业2001,29(4) 利用不同的短纤维(玻璃纤维、碳纤维及其两者的混杂纤维)添加不同的减摩剂配制成的短纤维增强尼龙1010,研究了它们的力学性能和摩擦磨损基本 特性,探讨了纤维种类、纤维含量和减摩剂对其性能的影响.实验结果表明,添加混杂纤维含量高的短纤维增强尼龙1010,其拉伸、弯曲强度和摩擦磨损特 性较好,但冲击韧性下降. 7.会议论文 王军祥.葛世荣.顾明元.强颖怀.白松浩 不同条件下石墨和碳纤维增强尼龙1010复合材料的摩擦学行为 研究 2002 以注塑成型法制备了石墨和碳纤维增强尼龙1010复合材料,采用MM-200型磨损试验机考察了复合材料在水润滑和干摩擦下的摩擦学性能,分析了磨损 表面形貌和磨损机制.研究结果表明:水润滑下石墨和碳纤维增强尼龙1010复合材料的摩擦系数均低于0.12,耐磨性能比干摩擦下提高1-2个数量级.水润滑 下复合材料的磨损表面发生了轻微的磨粒磨损,而干摩擦下则发生了剧烈的疲劳剥落. 8.学位论文 王军祥 增强聚合物的导热和耐磨性能研究 2004 以导热电子封装及耐磨自润滑聚合物复合材料为研究背景,对填料增强聚合物复合材料的制备工艺和性能进行了深入研究.首先基于程序升温DSC法研 究环氧树脂/咪唑体系的固化反应特性,发现固化剂含量和升温速率的变化对体系的固化反应历程产生显著影响,体系固化时的加成反应和催化聚醚反应为 分阶段同时进行,并确定了最佳成型工艺参数.对碳化硅表面偶联处理可有效改善增强树脂材料的综合性能.采用在位分散聚合工艺,成功制备微米、纳米 尺度的碳化硅及其晶须/环氧树脂复合材料,实现以较少的粒子体积含量(13.8%的纳米碳化硅和46.7%微米碳化硅树脂复合材料的导热系数分别达到4.1和 5.8 W/m.K)制备出热性能好、强度高的树脂基复合材料.基于实验数据,提出并验证了基于界面热阻、粒子形状和粒子含量的导热系数预测模型.以红外光 谱对偶联剂的表面修饰机理进行了深入的研究,研究证实修饰后的纳米碳化硅和树脂基体发生了接枝反应,在树脂复合材料中所形成Si-O-Si立体网络结构 成为材料的导热骨架,和体系中的纳米粒子由于直接接触而形成导热网链共同作用,显著提高了含纳米颗粒的树脂复合材料的导热性能.以湿法混合注塑成 型制备了增强尼龙1010(NL)复合材料.研究发现芳纶纤维(AF)和玻璃纤维(GF)混杂和单一纤维相比没有降低复合材料的摩擦系数,混杂增强仅使复合材料 的耐磨性略有提高.对于碳纤维(CF)和玻璃纤维混杂增强尼龙,当V<,CF>/V<,GF>的比值在0.4-0.6区域内复合材料的摩擦系数和磨损率均低于各种含量的 CF增强尼龙复合材料,这主要是因为CF和GF在摩擦过程中产生了协同效应.MoS<,2>、CuO和CF混杂增强尼龙的摩擦系数随CF含量的增加而显著降低.在CF含 量较低时,复合材料主要体现出各种无机填料的摩擦学性能.随CF含量的继续增大,CuO-CF-NL和MoS<,2>-CF-NL磨损率和摩擦系数均优于单一的CF或 MoS<,2>、CuO填充尼龙,CuO-CF-NL在20%CF含量时的耐磨性能最高,其磨损率比20%CF-NL和10%CuO-NL分别降低了约1.8倍和2个数量级.经XPS研究表明 MoS<,2>、CuO和偶件在摩擦过程中发生了摩擦化学反应,MoS<,2>和对偶铁反应生成FeS、FeSO<,4>和MoO<,3>,进一步提高了转移膜和偶件的结合强度,但 生成的化学反应膜受到MoO<,3>磨粒磨损影响,导致了在较高载荷下材料的磨损加剧. 引证文献(6条) 1.张静.何春霞.路琴 不同纳米粒子填充PA6/GF复合材料摩擦磨损性能[期刊论文]-材料科学与工程学报 2009(3) 2.张静.路琴.何春霞 碳纤维增强复合材料的摩擦学研究进展[期刊论文]-化工新型材料 2008(11) 3.张静.路琴 纳米Si3N4和玻璃纤维混杂增强PA6复合材料的力学性能和摩擦学性能研究[期刊论文]-润滑与密封 2008(08) 4.张静.路琴 填充改性尼龙1010复合材料的摩擦学研究进展[期刊论文]-化工新型材料 2008(07) 5.王冲.魏刚.闫光红.刘峰 聚酰胺工程塑料的摩擦学改性研究进展[期刊论文]-中国塑料 2007(09) 6.王冲.魏刚.闫光红.刘峰 尼龙的摩擦学改性研究进展[期刊论文]-工程塑料应用 2007(10) 本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_jxgccl200307006.aspx 下载时间：2010年2月7日