5粕环氧树脂复合材料摩擦磨损性能研究

第26卷第4期 2006年7月 摩擦学学报 TRIBOLOGY Vol26，N04 July，2006 干摩擦和水润滑条件下芳纶浆ffl／环氧树脂 复合材料摩擦磨损性能研究 吴炬1，程先华1’2 (1．上海交通大学机械与动力工程学院，上海200030； 2．中国科学院兰州化学物理研究所固体润滑国家重点实验室，甘肃兰州730000) 摘要：研究了芳纶浆粕纤维增强环氧复合材料在干摩擦和水润滑条件下的摩擦磨损性能，探讨了纤维含量对复合材 料摩擦磨损性能的影响，并分析了复合材料的磨损机理．结果表明：芳纶浆粕纤维能够大幅度提高环氧树脂的摩擦磨 损性能；当纤维体积分数为40％时，复合材料的比磨损率最小；在水润滑条件下，复合材料的摩擦系数和磨损率均比 干摩擦下的明显降低，这是由于水起到了润滑和冷却作用；干摩擦时的磨损机理为粘着磨损和塑性变形，水润滑时主 要为犁削和轻微的磨粒磨损． 关键词：芳纶浆粕；环氧复合材料；水润滑；摩擦磨损性能 中图分类号：0634．41；THll7．3文献标识码：A 文章编号：1004-0595(2006)04-0325-05 芳纶浆粕纤维(KevlarPulp)是芳纶的1个差别 化品种，化学结构与芳纶相同，其保留了芳纶绝大部 分优异性能，如耐热、耐磨及尺寸稳定等性能，但由 于其成型工艺的独特性又区别于芳纶长纤维．其纤 维轴向尾端原纤化呈针尖状而表面积很大，氨基含 量是纤维10倍以上，可以增强与某些树脂基体的复 合效果⋯．芳纶浆粕由于其优异的耐磨性，可以作 为石棉的替代品用于汽车制动材料，也可以作为摩 擦复合材料的增强相．环氧树脂(Epoxy)为性能优 异、应用广泛的热固性树脂，其复合耐磨涂层已广泛 用于机械等工业部门．shi等旧。1研究了纳米si3N。、 纳米ZnO、炭纤维以及芳纶纤维(长纤维)填充环氧 复合材料的摩擦磨损性能．芳纶浆粕／环氧复合材料 在复合材料导轨和人工关节等领域有广阔的应用前 景，但有关其摩擦磨损性能研究的报道还很少见．本 文作者采用芳纶浆粕作为填料与环氧树脂复合制备 出芳纶浆粕／环氧复合材料(KP／EP)，考察了干摩 擦和水润滑条件下纤维含量对于芳纶浆粕／环氧复 合材料摩擦磨损性能的影响． 1 实验部分 1．1原料及试样制备 环氧树脂E-51和5769脂肪族胺类固化剂由上 海树脂厂生产；Kevlar浆粕纤维由美国杜邦公司提 供，型号为1F538，公称长度1．7mm，密度为1．4l一 1．42g／cm3．将干燥后的芳纶浆粕按照一定比例(纤 维体积分数分别为20％、40％和60％)加入到环氧 树脂中，采用丙酮做稀释剂，加人固化剂，真空模压 成型．固化好的样品经过机械加工制成试样，用于性 能测试． 1．2性能测试 在M-2000型摩擦磨损试验机上评价试样的摩 擦磨损性能．试样尺寸为20mm×10mm×10mm， 偶件为640mmx10mm的GCrl5钢环，经过淬火 处理．试验前，试样和钢环均经900”砂纸打磨至R。 为0．14斗m左右，然后用丙酮超声清洗．干摩擦和 水润滑条件下的摩擦试验在室温下进行，环境温度 为20℃，相对湿度RH约50％，载荷为100N，滑动 速度为O．42m／s，水润滑时滴水速度为每分钟60～ 70滴，试验周期为120min，采用德国OPTON公司 CSM950型扫描电子显微镜(SEM)观测分析材料磨 损表面形貌．磨痕宽度采用2206型表面粗糙度测量 仪(哈尔滨量具刃具厂生产，分辨率为0．001Ixm)测 得，由此计算得出比磨损率．摩擦系数通过记录的摩 擦力矩计算得出，取摩擦系数处于稳定阶段的平均 值． 基金项目：国家自然科学基金资助项目(50275093)． 收稿日期：2005-07—14；修回日期：2005-09-21／联系人程先华，e—mail：xhcheng@mail．sjtu．edu．cn 作者简介：程先华，男，1961年生，博士，教授，目前主要从事表面工程及摩擦学研究． 万方数据 摩擦学学报 第26卷 2结果与讨论 柔茹鲁纂嚣产条件下对摩吼摩擦 2．1 纤维含量对复合材料摩擦磨损性能的影响 从图1可以看出：干摩擦时环氧树脂的摩擦系 含不同芳纶浆粕纤维体积分数的复合材料试样 数较高，加入芳纶浆粕后，摩擦系数明显降低；纯树 0 20 40 60 0 20 40 60 Kevlarpulpcontent9，％ Kevlarpulpcontent尹，％ (a)Drysliding (b)Waterlubricated Fig1 FrictionandwearofKevlarpulp／epoxycompositesunderdryslidingandwater lubricationasafunctionofKevlarpulpcontent 图1 干摩擦和水润滑条件下纤维含量对复合材料摩擦磨损性能的影响 脂的耐磨性比较差，芳纶浆粕纤维的加入大幅度提 高了材料的耐磨损性能，并且当纤维的体积分数在 40％时，复合材料的比磨损率最小，当进一步提高纤 维含量时，比磨损率略有上升．这是因为纤维含量过 低时，少量的纤维不能有效地承担摩擦载荷，对提高 材料耐磨性作用不明显；当纤维含量在1个适当范 围内时，复合效果好，并且能有效地提高材料的耐磨 性[见图2(a)]；而当纤维含量过高时，界面粘结性 (a)KPcontent妒=40％ (b)KPcontent妒=60％ Fig2 SEMmorphologyofthewornsurfaceofKevlarpulp／epoxycompositesatdifferentKevlarpulpcontentunderdrysliding 图2 干摩擦条件下不同纤维含量芳纶浆粕／复合材料磨损表面形貌SEM照片 能变差，材料内部缺陷增加[见图2(b)]，导致摩擦 过程中纤维从基体中脱落，造成磨粒磨损． 在水润滑条件下，摩擦系数和磨损率与干摩擦 相比大幅度下降．主要原因是：干摩擦时，摩擦副表 面的接触温度较高，摩擦系数较大且不稳定，磨损机 理主要是粘着磨损和疲劳剥落，后期发生了磨粒磨 损，磨损量较大；而在水润滑条件下，可以在对摩表 面形成一层水膜而将摩擦副隔开，减少了粘着磨损， 并且水流带走了摩擦产生的热量，降低了摩擦副表 面温度MJ，并且复合材料因为吸湿增塑而塑性变形 能力增强，使形成的磨屑细小化川． 在水润滑条件下，芳纶浆粕填充环氧复合材料 l-一眚．z一^暑量。-oI，o葛k k再∞}u鼍8皇∽ 3 2 1 O 0 O O O 过苫。弓葛。ou毒o!I皇-k I_一量．z—n暑{。_0I，o等k k再。事uul8盘∞ ，，Iuu弓薯oou善专lJ‘ 万方数据 第4期 吴炬等： 干摩擦和水润滑条件下芳纶浆粕／环氧树脂复合材料摩擦磨损性能研究 327 的摩擦磨损性能优于纯树脂，且当纤维含量在40％ 时比磨损率最小． 2．2磨损机理分析 纯环氧树脂和芳纶浆粕／环氧复合材料(纤维 (a)Epoxyunderdrysliding 体积分数为40％)在干摩擦和水润滑条件下磨损表 面形貌SEM照片见图3．可见，在干摩擦条件下，纯 环氧树脂磨损表面较粗糙，出现较严重的塑性变形， 磨损机理为粘着磨损和塑性变形[见图3(a)]．当 (b)KP／Epoxycompositesunderdrysliding (C)Epoxyunderwaterlubrication (d)KP／Epoxycompositesunderwaterlubrication Fig3 SEMmorphologyofthewornsurfaceofneatepoxyandKevlarpulp／epoxycompositesunder dry—andwaterlubricatedsliding(KPcontent：40％byvolume) 图3 干摩擦和水润滑条件下环氧树脂和KP／EP复合材料磨损表面形貌的SEM照片 加入芳纶浆粕后，其磨损表面有大量浆粕纤维暴露 于磨损表面并承担了大部分载荷，纤维逐渐被磨平， 与环氧树脂相比，复合材料的磨损表面较为光滑，减 少了粘着磨损和塑性变形，磨损机理主要为犁削 [见图3(b)]． 在水润滑条件下，摩擦表面形成一层水膜将摩 擦副隔开而减少了粘着磨损，并起到了润滑和冷却 作用，降低了摩擦和磨损，试件的磨损表面比干摩擦 时平整．环氧树脂的磨损程度比干摩擦时轻，表面没 有粘着和塑性变形迹象，主要磨损机理为磨粒磨损 [见图3(C)]；复合材料的磨损表面更加光滑平整， 纤维露出并部分被磨平，纤维脱落现象比干摩擦条 件下显著减少，其主要的磨损机理为轻微磨粒磨损 [见图3(d)]． 图4所示为干摩擦和水润滑条件下与复合材料 (纤维体积分数为40％)试样对摩的不锈钢偶件磨 损表面形貌SEM照片． 可以看出，在干摩擦时复合材料发生了轻微的 粘着磨损，在偶件表面形成了不连续的转移膜；而水 润滑条件下偶件的磨损表面较为光滑，犁沟较少，进 一步表明水可以减少粘着磨损并起到润滑和冷却的 作用． 万方数据 328 摩擦学学报 第26卷 (a)Drysliding (b)Waterlubrication Fig4 SEMmorphologyofwornsurfaceofstainlesssteelcounterpartunderdryslidingandwaterlubrication(100N，0．42m／s) 图4于摩擦和水润滑条件下不锈钢偶件磨损表面形貌SEM照片 3结论 a． 芳纶浆粕可以大幅度提高环氧树脂的摩擦 磨损性能，当芳纶纤维体积含量在40％时，复合材 料的摩擦磨损性能最佳． b． 与干摩擦情况相比，水润滑条件下的摩擦 系数和磨损率大幅降低，摩擦性能更为稳定，水起到 了润滑和冷却的作用，并且在摩擦副表面形成水膜， 减少了粘着磨损和塑性变形． 在干摩擦时，复合材料的磨损表面存在较 明显的犁沟，其磨损机理主要为粘着磨损和塑性变 形，而水润滑时其磨损机理主要为轻微的磨粒磨损． 参考文献： [1]尤秀兰，傅群，刘兆峰．芳纶浆粕纤维的结构性能与应用[J]． 产业用纺织品，2001，(8)：27-29． YouXL，FuQ，LiuZF．Progressof ppt 关于艾滋病ppt课件精益管理ppt下载地图下载ppt可编辑假如ppt教学课件下载triz基础知识ppt A—pulpfibre[J]．Tech— nicalTextiles，2001，(8)：27-29． [2]ShiG，ZhangMQ，RongMZ，eta／．Frictionandweal"oflow nanometerSi3N4filledepoxycomposites[J]．Wear，2003，254： 784-796． [3]胡幼华，高辉，阎逢元，等．纳米ZnO／环氧树脂复合材料的力 学性能和摩擦学性能[J]．摩擦学学报，2003，23(3)：216— 220． HuYH，GaoH，YanFY，eta1．Tribologicalandmechanical propertiesofnanoZnO—filledepoxyresincomposites[J]．Tribolo- gY，2003，23(3)：216-220． [4]王玉果，王玉林，吴广顺．润滑条件下三维编织碳复合材料的 摩擦学特性[J]．材料科学与工程学报，2005，23(1)：12．14． WangYG，WangYL，WuGS．Tribologicalpropertiesof3-D carboncompositesunderlubricatedcondition[J]．JoumalofMate— rialsScience＆Engineering，2005，23(1)：12·14． [5]HasimP，NihatT．Effectofloadandspeedonthewearbehavior ofwovendassfabricsandaramidfibre—reinforcedcomposites[J]． Wear，2002，252：979-984． [6]杨安乐．沥青基碳纤维增强环氧模塑料的摩擦磨损性能[J]． 机械工程材料，1998，22(6)：13—14(55)． YangAL．Frictionandwearpropertiesofcarbonfiberrei缸oreed epoxymoldingplastic[J]．MaterialsforMechanicalEngineering， 1998，22(6)：13-14(55)． [7]王玉果，王玉林，万怡灶，等．三维编织碳纤维复合材料的摩擦 磨损性能研究[J]．摩擦学学报，2002，22(3)：189．192． WangYG，WangYL，WanYZ，eta1．Frictionandwearbehav— iorofcompositesreinforcedwith3-Dbrmdedcarbonfiber[J]．嘣· bology，2002，22(3)：189—192． 万方数据 第4期 吴炬等： 于摩擦和水润滑条件下芳纶浆粕／环氧树脂复合材料摩擦磨损性能研究 329 FrictionandWearPropertiesofKevlarPulpReinforcedEpoxy CompositesunderDrySlidingandWaterLubrication WUJul．CHENGXian—hual’2 (J．SchoolofMechanicalandPowerEngineering，ShanghaiJiaotongUniversity，Shanghai200030，China； 2．StateKeyLaboratoryofSolidLubrication，LanzhouInstituteofChemicalPhysics， ChineseAcademyofSciences，Lanzhau730000，China) Abstract：FrictionandwearbehaviorofKevlarpulpreinforcedepoxycompositesagainststainlesssteelunderdry slidingandwaterlubricationwasevaluated．EffectsofKevlarpulpcontentontribologicalpropertiesofthecompos— iteswereinvestigatedandwearmechanismswerediscussed．IncorporationofKevlarpulpintoepoxyimprovesthe frictionandwearpropertyconsiderably．OptimumwearreductionwasobtainedwhenthevolumefractionofKevlar pulpis40V01％．Neatepoxyanditscompositesslidingagainststainlesssteelregisterlowerfrictioncoefficientsand wearratesunderwaterlubricationthanunderdrysliding，owingtotheboundarylubricatingandcoolingeffectof distilledwater．Adherenceandplasticdeformationaredominantunderdrysliding．Plowingandslightabrasivewear aredominantunderwaterlubrication． Keywords：Kevlarpulp，epoxycomposites，waterlubrication，frictionandwearbehavior Autllor：CHENGXian—hua，male，bornin1961，Ph．D．，Professor，e·mail：xhcheng@mail．sjtu．edu。an 万方数据 干摩擦和水润滑条件下芳纶浆粕/环氧树脂复合材料摩擦磨损 性能研究 作者： 吴炬， 程先华， WU Ju， CHENG Xian-hua 作者单位： 吴炬,WU Ju(上海交通大学,机械与动力工程学院,上海,200030)， 程先华,CHENG Xian- hua(上海交通大学,机械与动力工程学院,上海,200030;中国科学院兰州化学物理研究所,固 体润滑国家重点实验室,甘肃,兰州,730000) 刊名： 摩擦学学报 英文刊名： TRIBOLOGY 年，卷(期)： 2006，26(4) 引用次数： 1次 参考文献(7条) 1.尤秀兰.傅群.刘兆峰 芳纶浆粕纤维的结构性能与应用[期刊论文]-产业用纺织品 2001(8) 2.Shi G.Zhang M Q.Rong M Z Friction and wear of low nanometer Si3N4 filled epoxy composites 2003 3.胡幼华.高辉.阎逢元.刘维民.齐陈泽 纳米ZnO/环氧树脂复合材料的力学性能和摩擦学性能[期刊论文]-摩擦学学 报 2003(3) 4.王玉果.王玉林.吴广顺 润滑条件下三维编织炭复合材料的摩擦学特性[期刊论文]-材料科学与工程学报 2005(1) 5.Hasim P.Nihat T Effect of load and speed on the wear behavior of woven glass fabrics and aramid fibre-reinforced composites 2002 6.杨安乐 沥青基碳纤维增强环氧模塑料的摩擦磨损性能 1998(6) 7.王玉果.王玉林.万怡灶.李群英.宋伟夫 三维编织炭纤维复合材料的摩擦磨损性能研究[期刊论文]-摩擦学学报 2002(3) 相似文献(1条) 1.学位论文 吴炬 稀土处理芳纶纤维填充环氧复合材料的力学及摩擦学性能研究 2006 机械设计及理论的发展与新材料的发明和应用有密切的关系，材料的力学性能和摩擦学性能研究是当今机械设计及理论的一个重要内容。 芳 纶/环氧复合材料具有高强度、高模量、重量轻等特点，在航空、航天、军事、机械等领域得到广泛应用。然而，由于芳纶纤维表面化学活性低，与环氧 树脂基体之间的浸润性差，难以形成有效粘结。芳纶纤维填充环氧复合材料存在界面粘接性能差、层间剪切强度低等缺点，极大地限制了材料性能的发 挥。复合材料界面性质是影响其性能的关键因素，也是复合材料科学研究领域的一个热点。 本论文针对芳纶纤维表面性质和目前表面改性处理方 法的缺点，利用稀土元素特殊的物理化学性质，对芳纶纤维表面进行改性处理，提高芳纶/环氧复合材料的界面结合力，从而提高复合材料的力学性能和 摩擦学性能，取得了原创性的研究成果。 第一，分别采用稀土改性剂(RES)、环氧氯丙烷(ECP)接枝方法对芳纶纤维进行表面改性处理，通过拉伸 、层间剪切性能测试及断口形貌分析，对比研究了这两种表面改性方法对于纤维及其复合材料性能的影响，并且考察了稀土改性剂中稀土元素的最佳含 量。结果表明，RES处理比ECP接枝改性方法更有效地改善了芳纶纤维和环氧树脂基体之间的界面结合力，并且对于芳纶纤维本身的性能没有损伤。当稀 土元素的含量为0.5wt％时，复合材料的力学性能最佳，其层间剪切强度与未处理相比提高了12.5％。 第二，通过X射线光电子能谱(XPS)分析和傅 立叶变换红外光谱(FT-IR)分析，探讨了芳纶纤维表面改性作用的机理。结果表明，稀土改性剂通过稀土元素的配位化学反应，可以提高纤维表面含氧极 性官能团的浓度，并可以在纤维与树脂基体之间形成化学键合，从而有效提高复合材料界面结合力。通过单纤维拔出试验，进一步证实了稀土改性剂处 理能够提高复合材料的界面结合力，并且探讨了单纤维拔出的应力传递模型，计算了平均界面剪切强度。 第三，采用经过不同表面改性处理的芳 纶浆粕纤维填充环氧树脂，制备得到复合材料，系统地研究了复合材料在干摩擦、水润滑条件下的摩擦磨损性能。结果表明：芳纶浆粕纤维的加入大大 提高了材料的抗磨损性能，并且在相同的试验条件下，稀土改性剂处理的芳纶浆粕纤维填充环氧复合材料的摩擦学性能优于未处理及环氧氯丙烷接枝处 理的芳纶浆粕填充环氧复合材料。 第四，研究了环氧树脂及其复合材料在干摩擦、水润滑条件下的磨损机理。干摩擦时，纯环氧树脂的磨损机理 主要为犁削、塑性变形和粘着磨损；加入芳纶浆粕纤维以后，其复合材料的塑性变形和粘着磨损大大减少，主要磨损机理为犁削。水润滑时，由于在摩 擦副表面形成水膜，将复合材料和对摩件表面隔开，水流带走摩擦热，阻止了塑性变形和粘着磨损，主要的磨损机理为轻微的磨粒磨损。 第五 ，探讨了纤维表面改性处理对芳纶浆粕/环氧复合材料摩擦学性能影响的作用机理，纤维表面改性处理可改善芳纶浆粕在环氧树脂基体中的分散性，防止 发生团聚，提高芳纶浆粕与树脂基体之间的界面结合力，在磨损过程中纤维不易从基体中脱出，从而减少了磨粒磨损。 本论文首次利用稀土改性 剂对高性能有机纤维进行改性处理，研究了表面改性对于芳纶/环氧复合材料力学性能和摩擦学性能的影响，并采用X射线光电子能谱和傅立叶变换红外 光谱等手段对芳纶纤维表面进行了表征，揭示了芳纶纤维表面改性的机理及其作用规律。系统地研究了干摩擦、水润滑条件下芳纶浆粕/环氧复合材料的 摩擦磨损性能，获得了其摩擦磨损性能随试验参数的变化规律及其磨损机理。开拓了稀土表面工程研究的新领域，为芳纶纤维表面改性处理以及芳纶/环 氧复合材料在工程领域的应用提供了依据。 引证文献(2条) 1.李锦春.吕梦瑶.尤秀兰.杨永兵 芳纶浆粕增强摩擦材料的研究[期刊论文]-化工新型材料 2008(8) 2.陈海燕 分散方法对环氧树脂基纳米复合材料摩擦性能影响的研究[学位论文]硕士 2007 本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_mcxxb200604008.aspx 下载时间：2010年2月8日