碳纤维与铜颗粒增强聚甲醛复合材料摩擦磨损性能研究

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颗粒增强金属基复合材料的研究现状及展望

第20卷第1期V o l.20N o.1　硬　质　合　金CE M EN T ED CA RB I D E2003年3月M ar.2003综合评述颗粒增强金属基复合材料的研究现状及展望王基才Ξ　尤显卿　郑玉春　程娟文(合肥工业大学材料学院,合肥,230009)摘　要　从材料的选择、制备技术和性能等方面对颗粒增强金属基复合材料的研究现状进行综合评述。

分析了颗粒增强金属基复合材料发展过程中存在的一些问题及改进措施,指出了颗粒增强金属基复合材料的几个重要发展方向:制备技术的改进、应用范围向特色应用领域的拓宽和再生回收的重视。

关键词　复合材料　碳化物粒子　制备技术　性能　生产应用1　引　言自1965年A Kelly,G J davies和D C ratch ley 等[1]首先总结和提出了金属基复合材料(M etal M atrix Com po sites,简称MM C s)的资料以来, MM C s就以其高的比强度、比刚度及良好的热稳定性、耐磨性、尺寸稳定性及成分可设等优点[2-4]吸引了各国学者和科研人员的关注,成为材料研究和开发的热点。

按增强体的形式MM C s可分为连续纤维增强、短纤维或晶须增强、颗粒增强等。

由于连续纤维增强的MM C s必须先制成复合丝,工艺成本高而复杂,因此其应用范围有很大的局限性,只应用于少数有特殊性能要求的零件。

颗粒增强金属基复合材料(Particu late R einfo rced M etal M atrix Com po sites,简称PRMM C)是将陶瓷颗粒增强相外加或自生进入金属基体中得到兼有金属优点(韧性和塑性)和增强颗粒优点(高硬度和高模量)的复合材料。

PRMM C具有增强体成本低,微观结构均匀,材料各向同性,可采用热压、热轧等传统金属加工工艺进行加工等优点[5-8],因而与纤维增强、晶须增强金属基复合材料相比倍受关注[9-10]。

2　PRMM C材料的选择基体材料是MM C s的主要组成部分,起着固结增强相、传递和承受各种载荷(力、热、电)的作用。

复合材料—聚甲醛

• 美国塞拉尼斯（Celanese）公司于1960年开发成功以三聚甲醛和环氧乙烷制造共聚甲醛的技术，并于1962年实现了工业化生产，其商品名为Celcon。（赛钢） • 1963年德国Hoechst和Celanese合资成立公司泰科那（Ticona），以“Hostaform”为商品名生产销售聚甲醛。 • Ticona和Daicel合资的宝理公司(Polyplastic) 于1968年开始了以“Duracon”为商品名的共聚甲醛工业化生产。（夺钢）
4.聚甲醛改性研究的技术路线
• • •
⑴填充增强改性 ⑵增韧共混改性 ⑶功能化改性（方向和热点）
⑴填充增强改性
•
•
将无机材料如Al2O3、氧化镁、玻璃纤维、碳纤维、玻璃微珠、云母、滑石粉、碳酸钙、白炭黑、钛酸钾等通过熔融共混加入到聚甲醛中，从而提高聚甲醛的强度、刚度、硬度、热变形温度以及尺寸稳定性。填充增强类聚甲醛主要应用于制备机械结构复杂、薄形精密零件及工程制品。
共聚甲醛的制造工艺流程：（阳离子开环聚合）
Hale Waihona Puke 甲醛的合成方法1、甲醛的主要聚合方式
阴离子聚合：采用胺、铵盐等碱性物质引发剂
阳离子聚合：采用硫酸、三氟化硼乙醚络合物
2、三聚甲醛的聚合
（1）多步反应 CH2O+H2O n HO-CH2O-H 2 CH2（OH）2 HO-CH2O-H 甲二醇 HO ( CH2O)nH+ （ n-1）H2O 聚合水合物 HO-CH2O-C H2OH + H2O 二聚甲醛水合物
●提高聚甲醛的耐候性 • 在聚甲醛中加入抗氧剂及光稳定剂可以提高聚甲醛的耐候性。 • 针对POM 受紫外线照射易发生白化、龟裂等缺点, 一些科研机构纷纷开发出耐候型品种,以满足汽车内外装饰材料的要求。 • Du Pont 公司推出的Delrin527UV • Hoechst Celanese 公司推出的Celcon UV902 • Ashley 聚合物公司的Ashlene R190H和Ashlene R190H2 ,均是在POM 中加入紫外线吸收剂以防止紫外线诱导POM 老化褪色的耐候型品种。由此可见,改善耐候性已成为POM 改性研究的热点。

铜基复合材料的摩擦磨损性能研究现状

ＡｂｓｔｒａｃｔＲｅｉｎｆｏｒｃｅｄｃｏｐｐｅｒｍａｔｒｉｘｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓｈａｓｅｘｃｅｌｌｅｎｔｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅａｎｄａｗｉｄｅｒａｎｇｅｏｆａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，ａｓ
ｎａｎｏｔｕｂｅｓ，ｆｒｉｃｔｉｏｎａｎｄｗｅａｒ
０引言
铜基复合材料具有较高的强度及良好的导电导热性、减磨耐磨性、耐蚀性等一系列优点，在摩擦减磨材料、电接触材料和机械零件材料等领域发挥着重要的作用＿１］。随着铜基复合材料应用的越来越广泛，其对摩擦性能要求越来越高，因此需要不断开发耐磨铜基复合材料。颗粒增强是常见的在提高复合材料整体强度的同时还
增强体，利用微波烧结技术制备出了（５～１５）ＴｉＣ－（５～１Ｏ）Ｃ的铜基复合材料，同时以纯铜试样作对比，在销盘式摩擦试验机上测试两种材料的摩擦性能。结果表明，纯铜磨损量远大于含增强体的复合材料，并且随着ＴｉＣ和Ｃ含量的增加磨损率呈降低趋势。这是由于随着石墨含量的
愈加严格。综述材料的摩擦磨损性能，并简述了
目前铜基复合材料存在的一些问题及展望。
关键词

纤维增强环氧树脂复合材料摩擦系数研究

ｉｔｓｒｅｓｅａｒｃｈｗｏｒｋｉｓｏｆｇｒｅａｔｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅｔｏｔｈｅｄｅｓｉｇｎａｎｄｕｓｅｏｆｔｈｅｍａｔｅｒｉａ１．Ｕｓｉｎｇｔｈｅｐｌａｔｅ－ｓｈａｐｅｄｃｏｎ— ｒｐｏｓｉｔｅｍａｔｅｒｉａｌａｎｄｓｍａｌｌｃｏｌｕｍｎｅｄｍｅｔａｌ，ｔｈｅｆｒｉｃｔｉｏｎｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｏｆｔｗｏｋｉｎｄｓｏｆｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓａｎｄｍｅｔａｌｕｎ — ｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｌｏａｄａｎｄｓｐｅｅｄｗａｓｏｂｔａｉｎｅｄｂｙＭＦＴ一５０００ｍｕｌｔｉｆｕｎｃｔｉｏｎａ１ｆｒｉｃｔｉｏｎｗｅａｒｔｅｓｔｅｒａｎｄｓｕｒｆａｃｅｍｏｒ —
第３１卷第３期２０１７年９月
传
动
Hale Waihona Puke 技术Ｖｏ１．３１Ｎｏ．３
ＤＲＩＶＥＳＹＳＴＥＭＴＥＣＨＮＩＱＵＥ
Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ２０１７
文章编号：１００６ — ８２４４（２０１７）０３ — ０２７ — ０５
ｉｎｃｏｍｐｏｓｉｔｅｍａｔｅｒｉａｌｄｅｃｒｅａｓｅｓｆｉｒｓｔａｎｄｔｈｅｎｉｎｃｒｅａｓｅｓｗｈｅｎｔｈｅｌｏａｄｉｓｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ，ａｎｄｔｈｅｆｒｉｃｔｉｏｎｃｏｅｆｆｉ — ｃｉｅｎｔｏｆｇｌａｓｓｆｉｂｅｒ— ｅｐｏｘｙｒｅｓｉｎｃｏｍｐｏｓｉｔｅｉｓｒｅｌａｔｉｖｅｌｙｓｔａｂｌｅ．Ｔｈｅｆｒｉｃｔｉｏｎｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｏｆｔｗｏｋｉｎｄｓｏｆｃｏｎ— ｒｐｏｓｉｔｅｓｄｅｃｒｅａｓｅｄｉｎｖａｒｙｉｎｇｄｅｇｒｅｅｗｉｔｈｔｈｅｉｎｃｒｅａｓｅｏｆｒｏｔａｔｉｏｎａｌｓｐｅｅｄ．

碳碳化硅复合材料摩擦磨损性能分析

表 1 C /C-S iC 复合材料刹车盘的磨损率 T ab le 1 T he w ear rate of C /C-S iC d isks
T ype
Th ickness loss /Lm# cycle- 1
W e ight lo ss /m g# cyc le- 1
Rotating disk Stationary disk Ro tating disk Stationary disk
现 / 前峰 0, 中间过程平稳且有增大趋势, 接近刹停时急剧上升, 静止时达到最大, 曲线存在 / 后翘 0现象。刹车力矩曲线 4类似于摩擦系数曲线 3, 制动初期出现 / 前峰 0, 中间过程平稳, 接近刹停时急剧增大, 静止时最大。曲线 5表示摩擦面的压强曲线, 在本实验中施加给摩擦面的是恒定载荷, 压强曲线本应是水平线, 但所有试样的压强曲线都是在一、两秒钟后才趋于一个固定值 0182M Pa, 这是由于在仪器设计上有响应滞后的特点。
本研究采用化学气相渗透 ( CV I) 法制备 C /CS iC复合材料, 分析了 C /C-S iC 刹车盘试样的摩擦
收稿日期: 2作者简介: 张亚妮 ( 1981-), 女, 博士, ( E-m a il) nier_zhang@ 163. com
制动时间 t / s, 摩擦稳定性系数 S, 其计算公式为:
S = Lcp / Lm ax
( 1)
式中: Lcp代表平均摩擦系数, Lmax 代表最大摩擦系
数。
1. 3 密度及表面形貌测试测试了 4组 C /C-SiC 复合材料的密度, 在模拟
刹车试验完成后, 采用光学显微镜对 C /C-SiC 试样
观察 C / C-SiC复合材料在每一次刹车实验中的

碳纤维增强环氧树脂复合材料性与结构的研究

碳纤维增强环氧树脂复合材料性能与结构的研究碳纤维增强环氧树脂复合材料性能与结构的研究摘要：本文研究了E-44双酚A型环氧树脂固化体系的反应特性，以低分子聚酰胺树脂为固化剂，采用手糊成型螺栓加压工艺制备了复合材料，并以沥青基碳纤维为增强材料，研究了复合材料的常温力学性能、水煮后力学性能和固化过程的热分析，并对其拉伸断面进行了分析。

研究结果得出：E-44树脂基体粘度低、韧性好且适用期长，适合于手糊成型，缠绕成型等低成本的制造工艺，因此制得的EP/CF复合材料具有优良的力学性能；该复合材料也具有良好的界面粘接性（树脂对纤维的浸润性良好）、较低的空隙率且碳纤维分布均匀。

关键Carbon fibre reinforced epoxy resin composite materialproperties and structure of the researchAbstract: This paper studies the E-44 bisphenol A type epoxy resin curing system response characteristics, with low molecular polyamide resin as curing agent, the pressure molding paste hand bolt for the composite technology was studied, and the carbon fiber with asphalt to strengthen materials, the mechanical properties of the composite materials under normal temperature, boiled after the mechanical properties and the solidification process of thermal analysis, and the tensile section is analyzed. We can get this conclusions:E-44 resin matrix low viscosity, good toughness penguins applicable periods long, suitable for molding paste hand around the molding, the low cost manufacturing process, thus made EP/CF composite material with excellent mechanical properties; The composite material also has a good interface bonding sex (of the fibers infiltrating the resin good), low air void and carbon fiber distribution even.Keywords: epoxy resins; Carbon fiber; Composite materials; Mechanical propertie.目录1 前言 (1)1.1 课题背景 (1)1.1.1 复合材料定义 (1)1.1.2 EP/CF复合材料的应用 (1)1.2 双酚A型环氧树脂 (2)1.2.1 双酚A型环氧树脂的定义 (2)1.2.2 双酚A型环氧树脂的固化原理 (3)1.2.3 双酚A型环氧树脂的结构 (3)1.3 环氧树脂固化剂 (4)1.3.1 环氧树脂固化剂的定义 (4)1.3.2 环氧树脂固化剂分类 (4)1.3.3 环氧树脂固化剂发展趋势 (6)1.3.4低分子聚酰胺树脂（型号650） (7)1.4碳纤维 (8)1.4.1 碳纤维概述 (8)1.4.2 碳纤维的性能 (9)1.4.3 碳纤维的处理 (11)1.5 环氧树脂/碳纤维的增强机理 (13)1.6 选题的目的与研究意义 (13)2 实验部分 (15)2.1 主要实验原料及试剂 (15)2.2 实验原料的配比 (15)2.3 主要实验设备 (15)2.4 实验流程 (16)2.4.1 实验流程图 (16)2.4. 碳纤维处理 (18)2.4.3 环氧树脂/碳纤维复合材料的制备 (18)2.5 性能测试 (19)2.5.1 力学性能测试 (19)2.5.2 固化过程的热分析 (19)2.5.3 E-44环氧树脂固化过程的温度变化的研究 (19)2..4 碳纤维增强环氧树脂复合材料的微观结构的观察 (19)3 结果与讨论 (20)3.1 常温下处理的碳纤维增强复合材料的力学性能 (20)3.2 水煮后碳纤维增强环氧树脂复合材料的力学性能 (21)3.3 碳纤维处理时间的不同对复合材料的力学性能的影响 (22)3.4 力学性能的对比 (27)3.4.1 常温下复合材料的力学性能 (27)3.4.2 水煮后复合材料的力学性能 (27)3.5 固化过程的热分析 (27)3.6 E-44环氧树脂固化过程的温度升高研究 (28)3.7 碳纤维增强复合材料的断面的显微结构 (29)4 结论 (31)参考文献 (32)致谢 (33)1前言1.1 课题背景1.1.1 复合材料定义复合材料，是指把两种以上宏观上不同的材料，合理地进行复合而制得的一种材料，目的是通过复合材料来提高单一材料所不能发挥的各种特性。

聚甲醛基耐磨复合材料的研究进展

坏，仍然保持较稳定的性能。ＰＭ与ＰＦＯＴＥ、聚酰胺
６（Ａ６、超高摩尔质量聚乙烯（ＨＭＷＰ６Ｐ６）ＵＥ）等几种材料力学性能的比较如表１所示。
表１ＰＭ与其他几种材料力学性能的比较Ｏ
ＴａＣｏｂｌｍｐａｓｎｏｃａｃｌｐｒｅｉｓｏｉｒｏｆｍｅｈｎｉａｏｐｒｅｆＰＯＭｎｔａｄ
ＭＡｎｆｎ，ＬＵｈｈｎ，ＹＡＯＧａｇ‘ｅｇＩＳｕｃｅｇＹａ‘ｅｇｆｎ，ＧＵＯＸｕｅｑｎ ‘ｕ
（．ＫｉｎｏｇｕＣｅｃｌｏ，Ｌｄ，ＨｎｎＣａＣｅｉａＧｏｐａｅｇ７２１ｈｎ；１ａｅｇＬｎｙｈｍｉ．ｔ．ｅａｏｈｍｃｌｒｕ，Ｋｉｎ５０，ＣｉｆａＣｌｆ４ａ
院兰州化学物理研究所ｌ】采用冷压一热烧结工艺研
制了一系列不同ＰＦＴＥ含量的ＰＭ／ＴＥ共混物，在ＯＰＦ
往复摩擦磨损试验机上评价了共混物的摩擦磨损性能，并利用电子扫描显微镜（Ｅ、Ｘ射线光电子ＳＭ）能谱（Ｐ）和俄歇电子能谱（Ｅ）对其磨损机理ｘｓＡＳ
进行了研究。结果表明：在共混物中增加ＰＦＴＥ的含
值与摩擦功率损耗成正比，它表征了复合材料制品的发热因素。限制ＰＶ的目的就是限制温升，防止复值
合材料制品温升过高而出现啮合破坏。

碳纤维增强复合材料的摩擦磨损性能研究

碳纤维增强复合材料的摩擦磨损性能研究随着工业领域的快速发展，碳纤维增强复合材料的应用越来越广泛，尤其是在高端制造和航空航天等领域。

然而，由于其特殊的材质结构和制造过程，其摩擦磨损性能一直是一个关注的焦点。

因此，本文将重点探讨碳纤维增强复合材料的摩擦磨损性能研究，并对其发展趋势进行分析。

一、碳纤维增强复合材料简介碳纤维增强复合材料是由碳纤维和树脂基体组成的材料，碳纤维具有轻质、高强度、高模量等优点，是一种高性能材料，从而提高了复合材料的性能。

碳纤维增强复合材料在航空、汽车、船舶、电子、医疗等领域得到了广泛的应用和发展。

二、碳纤维增强复合材料的摩擦磨损机理从宏观层面来看，碳纤维增强复合材料的摩擦磨损主要受到以下几个因素的影响：1.材料组成和结构：碳纤维的含量和分布等因素会直接影响摩擦磨损性能。

2.工艺参数：制造过程中的温度、压力和固化时间等参数也会对材料的摩擦磨损性能产生影响。

3.摩擦副材料和工作条件：不同材质的摩擦副材料和不同的工作条件会直接影响复合材料的摩擦磨损性能。

从微观层面来看，碳纤维增强复合材料的摩擦磨损主要受到以下几个机理的影响：1.材料的微观结构：碳纤维的方向、分布、长度等因素，以及树脂基体的分布和质量等因素都会直接影响摩擦磨损性能。

2.接触力和应力状态：摩擦副材料的接触力和应力状态也会直接影响复合材料的摩擦磨损性能。

3.失效机理：摩擦过程中，材料的断裂、剥离和热软化等失效机理也会导致复合材料的摩擦磨损。

三、碳纤维增强复合材料的摩擦磨损测试方法为了研究碳纤维增强复合材料的摩擦磨损性能，需要采用适用的测试方法。

常用的测试方法包括：1.根据ASTM标准，采用球-盘式摩擦实验仪对材料进行摩擦磨损性能测试。

2.采用高温摩擦实验仪对碳纤维增强复合材料在不同温度下的摩擦磨损性能进行测试。

3.采用动态摩擦测试机对材料的摩擦性能进行研究。

四、碳纤维增强复合材料的摩擦磨损性能改进研究由于摩擦磨损性能是碳纤维增强复合材料应用的一个重要限制因素，因此，研究如何改进其摩擦磨损性能成为一个重要的课题。

碳纳米管改性聚四氟乙烯复合材料的摩擦磨损性能研究

碳纳米管改性聚四氟乙烯复合材料的摩擦磨损性能研究的报告，600字本报告旨在研究碳纳米管改性聚四氟乙烯(PVDF)复合材料的摩擦磨损性能。

为此，我们采用了一系列的实验以研究他们的摩擦和磨损性能。

在实验室里，我们使用短碳纳米管改性的PVDF复合材料，作为基础材料，进行了两组实验，一组实验使用多羟基甲酸酐（GH）作为改性剂，另一组实验则使用纤维素醇磷酸酯（HFPO）作为改性剂。

在实验中，接触面的材料通过硬度试验和粗糙度测量来选择，以能够得到较好的摩擦磨损性能。

实验还通过摩擦测试、磨损测试、扫描电子显微镜（SEM）、X射线能谱（XPS）和X射线衍射（XRD）等方法来衡量和监测摩擦磨损性能。

通过现有的研究结果，我们发现，在使用GH和HFPO改性PVDF复合材料时，PVDF复合材料的摩擦磨损性能与改性剂的浓度有关。

当改性剂浓度增加时，PVDF复合材料的摩擦磨损性能也相应提升。

在GH改性的情况下，随着改性剂浓度的增加，摩擦系数和磨损因子也不断降低。

而在HFPO改性的情况下，当改性剂浓度超过一定值时，摩擦系数和磨损因子开始出现上升趋势，表明这种改性后材料的摩擦磨损性能会受到一定的影响。

从实验结果可以看出，在碳纳米管改性的PVDF复合材料中使用GH和HFPO改性剂可以改善材料的摩擦磨损性能，因此可以更好地满足工程应用的需要。

但是，对于HFPO改性的情况，如果改性剂浓度超过一定值，摩擦磨损性能就会降低，因此，希望在进一步研究中可以找到一种有效的方法去抑制这种现象。

综上所述，本研究结果表明，碳纳米管改性的PVDF复合材料可以通过使用合适的改性剂，改善其摩擦磨损性能，在不同改性剂浓度下表现出不同的结果。

进一步研究仍然需要进行，以便更加全面理解材料的摩擦磨损性能，并探讨有用的工程应用。

碳纤维增强环氧树脂基复合材料的性能研究

铸和缠绕等低成本制造工艺】，并对其力学性能、耐热性和耐水性等性能进行了研究。
１实验部分
１．１实验原料ＷＢＳ一３环氧树脂，无锡树脂厂；Ｔ一７００Ｓ碳纤维
单向布，南京玻纤研究院。
１．２实验仪器ＮＤＪ一７９型旋转式黏度计，上海昌吉地质仪器有
限公司；２９１０型差示扫描量热分析仪，美国ＴＡＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ公司；ＣＭＴ型万能实验机、ＺＢＣ－４型冲击实验机，深圳新三思材料检测有限公司；Ｓ一５７０型扫描电子显微镜（ＳＥＭ），日立公司；Ｑ８００型动态力学分析（ＤＭＡ）仪，美国ＴＡ公司。
２．５复合材料的动态力学行为分析由于材料的玻璃化转变、结晶、取向、交联和相
２．６复合材料的力学性能２．６．１复合材料的常温力学性能
复合材料的常温力学性能如表２所示。由表２
可知，Ｔ一７００Ｓ用ＢＳ一３复合材料具有很好的综合力
学性能。这是由于ＷＢＳ一３体系的黏度较低（不需要加入溶剂来调节黏度），对纤维的浸润性较好，固化
时无小分子析出，也无气泡产生，故ＷＢＳ一３树脂与纤维的界面粘接性能良好，表现为复合材料的综合力学性能较好。另外，采用ＲＴＭ、缠绕成型和拉挤成型等其他工艺同样能制备出性能优良的Ｔ一７００ｓ／ＷＢＳ一３复合材料。２．６．２复合材料的高温力学性能
Ｏ
２０
４０
６０
８０
１００
１２０
温度，℃
Ｆｉｇ．２
图２等遽升温条件下黏度一温度曲线Ｖｉｓｃｏｓｉｔｙｖｓｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｃｕｒｖｅａｔｃｏｎｓｔａｎｔｈｅａｔｉｎｇｓｐｅｅｄ
由图２可知，树脂在等速升温（２ｏＣ／ｍｉｎ）过程中，其黏度呈先降后升的趋势。如ＡＢ段（２０－６０℃）黏度下降是由于混合物受热后分子运动加速所致；ＢＣ段（６０—１２０℃）黏度逐渐趋于恒定，其黏度小于８０ｍＰａ·ｓ；ＣＤ段（大于１２０℃）黏度迅速升高，说明此阶段已发生了ＥＰ的链增长反应。

WC颗粒增强钢基表面复合材料的高温摩擦磨损性能

２０ ℃ ，ｎｘｄｔｎａｄｆｔｕａｉｔ００ａｄｏｉａｉｎｉｅｗｅｒｏａｇｗｈｌａ０ｏ５０ｏｎ０ｗｈｉｈｉａｄｎｍｉａｅ３Ｃ，０Ｃａｄ６０ｏＣ，ｃｙａｃｗｅｒＳｐｃｓｆｌｒａｉｇｏｉａｉｎａｄｓａｌｇ．ｏｒｅｓｏｔｎｔｘｄｔｎｐｌａｅｎｏｉｎ
ｃｓｉｇ—ｅｅｒｔｇｔｃｎｌｇｒｔｄｅｂｓｎｆｔｅｈｇ－ｅａｔ — ｎｔｉｅｈｏｏｙｗｅｅｓｕｉｄｙｕｉｇｏｈｉｈ－ｍｐｒｔｒｒｔｎａｄｗｅｒｎｐａｎｔｅａｕｅｆｉｉｎａｃｏｔｓｉｇｍａｈｎｅｔｎｃｉｅ．ＴｈｅｕｔｈｗｈｔｔｅｆｉｔｎｐｉｈｓａＩｒｅｆｃｉｎｃｅｆｉｎｔＩｗｒｅｒｓｌｓｏｔａｈｒｉａｒａａｇｒｔｏｆｃｅｔａｏｅｓｃｏｉｏｉ
铸
造
Ｍａ．０１ｒ２０
ＦＯＵＮＹＤＲ
Ｖ０ｌ９ＮＯ３Ｉ５．
ＷＣ颗粒增强钢基表面复合材料的高温摩擦磨损性能
王志胜，李祖来，蒋业华，王佳
（明理工大学材料科学与工程学院，云南昆明６０９）昆５０３
摘要：为了对高温磨损工况下表面复合材料的设计提供理论依据，采用高温摩擦磨损试验机对通过真空实型铸渗法制
备的ＷＣ钢基表面复合材料的高温磨损性能进行了研究。通过对不同温度下摩擦磨损数据进行分析，结果表明，在温／度较低（２０℃ ）时，摩擦副具有较大的摩擦系数，随着温度的升高，摩擦系数先降低后增大，而表面复合材料的００－磨损率随着温度的升高呈先略有降低后升高再降低的趋势。ＷＣ颗粒增强钢基表面复合材料在２０℃时磨损表现为粘着０

纳米粒子增强PEEK-PTFE复合材料摩擦转移膜特性研究

纳米粒子增强PEEK-PTFE复合材料摩擦转移膜特性研究纳米粒子增强PEEK/PTFE复合材料摩擦转移膜特性研究摘要：摩擦转移膜是一种表面形成的复合材料层，在摩擦过程中可以有效减少摩擦磨损。

本研究通过添加纳米粒子（例如金属粒子）来增强PEEK/PTFE复合材料的摩擦转移膜特性。

通过对比不同添加量的纳米粒子的摩擦试验，分析其对摩擦转移膜形成、厚度和性能的影响。

研究结果表明，纳米粒子的添加可以显著提高复合材料的摩擦转移膜特性，进一步提高其耐磨性能。

1. 引言摩擦磨损是材料在接触与滑动过程中，表面发生破坏和质量损失的一种现象。

摩擦磨损不仅会造成能源的浪费，还会影响材料的性能和寿命。

因此，研究如何改善材料的摩擦磨损性能具有重要意义。

2. PEEK/PTFE复合材料摩擦转移膜2.1 PEEK/PTFE复合材料PEEK（聚醚醚酮）是一种高性能工程塑料，具有良好的耐热性、化学稳定性和机械性能。

然而，PEEK的低润湿性限制了其在一些领域的应用。

为了改善PEEK的润湿性，可以与PTFE（聚四氟乙烯）等材料进行复合。

2.2 摩擦转移膜摩擦转移膜是在摩擦过程中形成的一层复合材料膜，其中含有从摩擦材料中转移的材料。

这层膜可以减少摩擦磨损，并提高材料的摩擦性能和耐磨性能。

3. 纳米粒子增强摩擦转移膜特性3.1 纳米粒子的选择在本研究中，选择添加金属纳米粒子（如铜粒子）作为PEEK/PTFE复合材料的增强材料。

铜具有良好的导热性和机械性能，在摩擦过程中能够有效地转移到摩擦转移膜中。

3.2 添加量的优化通过对不同添加量的纳米粒子进行摩擦试验，可以优化添加量以获得最佳的摩擦转移膜性能。

实验结果表明，当纳米粒子的添加量在一定范围内时，摩擦转移膜的形成和性能得到最大的提高。

3.3 形态和厚度的研究采用扫描电子显微镜（SEM）观察纳米粒子增强摩擦转移膜的形态和厚度。

结果显示，纳米粒子的添加增加了转移膜的厚度，并使其具有更均匀的表面形貌。

铜基复合制动材料摩擦磨损性能研究进展

铜基复合制动材料摩擦磨损性能研究进展
司丽娜;陈林林;阎红娟;杨晔;张淑婷;陈强华
【期刊名称】《润滑与密封》
【年(卷),期】2022(47)10
【摘要】我国高速列车的不断提速,对制动盘材料的性能提出了更高的要求。

铜基复合制动盘材料由于具有高比刚度、高比强度、优良的高温性能,以及良好的摩擦磨损性能等优点,被认为是最有应用前景的制动盘材料。

在介绍高速列车制动盘材料发展的基础上,进一步论述了铜基复合制动盘材料的构成组元、制备方法及发展历程;阐述了铜基复合制动盘材料摩擦磨损性能的研究现状;最后展望了铜基复合制动盘材料的发展趋势,为高性能铜基复合制动盘材料的研制提供参考。

【总页数】8页(P168-175)
【作者】司丽娜;陈林林;阎红娟;杨晔;张淑婷;陈强华
【作者单位】北方工业大学机械与材料工程学院
【正文语种】中文
【中图分类】TH117.1
【相关文献】
1.铜基粉末冶金刹车材料不同制动速度下的摩擦磨损性能
2.惯性摩擦制动对铜基粒子材料摩擦磨损性能的影响
3.摩擦速度和电流密度对铜基复合材料载流摩擦磨损性能的影响
4.Al2O3和SiO2质量分数配比对铜基粉末冶金制动材料摩擦磨损性能的影响
5.炭纤维增强铜基复合材料摩擦磨损性能同其磨损表面形貌相关性研究
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碳纤维增强聚甲醛复合材料的制备及性能研究

２．ＨｅｂｅｉＰｒｏｖｉｎｃｉａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＲｅｓｅａｒｃｈＣｅｎｔｅｒｏｆＣｏａｌ－ＢａｓｅｄＣｈｅｍｉｃａｌｓａｎｄＭａｔｅｒｉａｌｓ，Ｔａｎｇｓｈａｎ０６３０１８，Ｃｈｉｎａ）
关键词：碳纤维；聚甲醛；复合材料：增强
中图分类号：ＴＱ３２７．３
文献标识码：Ａ
文章编号：１００１．３５３９（２０１４）０１．００２３．０４
ＳｔｕｄｙｏｎＰｒｅｐａｒａｔｉｏｎａｎｄＰｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆＣａｒｂｏｎＦｉｂｅｒｓＲｅｉｎｆｏｒｃｅｄＰｏｌｙｏｘｙｍｅｔｈｙｌｅｎｅＣｏｍｐｏｓｉｔｅｓ
摘要：以碳纤维为增强体，用双螺杆挤出机共混制备了碳纤维增强聚甲醛复合材料，研究了碳纤维含量对复合材
料的力学性能、热性能、熔体流动性能的影响。结果表明，碳纤维的加入大幅提高了复合材料的力学性能，改善了热
ｉｍｐｒｏｖｅｄｂｙａｄｄｉｎｇｃａｒｂｏｎｉｆｂｅｒｓ，ｂｕｔｍｅｌｔｌｏｆｗｒａｔｅｓａｒｅｄｅｃｒｅａｓｅｄｂｙａｄｄｉｎｇｃａｒｂｏｎｉｂｆｅｒｓ．Ｔｈｅｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅｍｅｃｈａｎｉｃａｌ

连续碳纤维增强聚醚醚酮复合材料的制备及力学性能

塑料工业ＣＨＩＮＡＰＬＡＳＴＩＣＳＩＮＤＵＳＴＲＹ第４９卷第３期２０２１年３月连续碳纤维增强聚醚醚酮复合材料的制备及力学性能孙洪霖１ꎬ姚佳楠１ꎬ张金栋１ꎬ顾洋洋１ꎬ王文才１ꎬ刘㊀刚１ꎬ∗(东华大学材料科学与工程学院ꎬ纤维材料改性国家重点实验室ꎬ先进低维材料中心ꎬ上海２０１６２０)㊀㊀摘要:采用自主研发的连续碳纤维/聚醚醚酮热熔法预浸料(ＨＣ２１１０)ꎬ通过热压成型工艺制备了复合材料层合板ꎮ测试了复合材料的力学性能ꎬ表征了微观形貌和破坏模式ꎮ预浸料热性能测试表明ꎬＨＣ２１１０预浸料较国外材料(ＴＣ１２００)的耐热性及成型工艺性较优ꎮ微观形貌分析表明ꎬ复合材料层合板中纤维分布均匀性对０ʎ拉伸性能影响较小ꎻ而纤维和树脂的界面结合较差是导致９０ʎ拉伸强度明显偏低的主要原因ꎮ关键词:热塑性复合材料ꎻ碳纤维ꎻ聚醚醚酮ꎻ热压成型ꎻ力学性能ꎻ破坏模式中图分类号:ＴＢ３３２㊀㊀㊀文献标识码:Ａ㊀㊀㊀文章编号:１００５－５７７０(２０２１)０３－０１１０－０４ｄｏｉ:１０３９６９/ｊｉｓｓｎ１００５－５７７０２０２１０３０２３开放科学(资源服务)标识码(ＯＳＩＤ):ＰｒｅｐａｒａｔｉｏｎｏｆＣｏｎｔｉｎｕｏｕｓＣａｒｂｏｎＦｉｂｅｒＲｅｉｎｆｏｒｃｅｄＰｏｌｙｅｔｈｅｒｅｔｈｅｒｋｅｔｏｎｅＣｏｍｐｏｓｉｔｅａｎｄＩｔｓＭｅｃｈａｎｉｃａｌＰｒｏｐｅｒｔｉｅｓＳＵＮＨｏｎｇ￣ｌｉｎ１ꎬＹＡＯＪｉａ￣ｎａｎ１ꎬＺＨＡＮＧＪｉｎ￣ｄｏｎｇ１ꎬＧＵＹａｎｇ￣ｙａｎｇ１ꎬＷＡＮＧＷｅｎ￣ｃａｉ１ꎬＬＩＵＧａｎｇ１(ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＭａｔｅｒｉａｌｓＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬＳｔａｔｅＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｆｏｒＭｏｄｉｆｉｃａｔｉｏｎｏｆＣｈｅｍｉｃａｌＦｉｂｅｒｓａｎｄＰｏｌｙｍｅｒＭａｔｅｒｉａｌｓꎬＣｅｎｔｅｒｆｏｒＡｄｖａｎｃｅｄＬｏｗ￣ｄｉｍｅｎｓｉｏｎＭａｔｅｒｉａｌｓꎬＤｏｎｇｈｕａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙꎬＳｈａｎｇｈａｉ２０１６２０ꎬＣｈｉｎａ)Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒ/ｐｏｌｙｅｔｈｅｒｅｔｈｅｒｋｅｔｏｎｅｐｒｅｐｒｅｇｓ(ＨＣ２１１０)ꎬｄｅｖｅｌｏｐｅｄｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔｌｙａｎｄｍａｄｅｂｙｈｏｔ￣ｍｅｌｔｍｅｔｈｏｄꎬｗｅｒｅｕｓｅｄｆｏｒｐｒｅｐａｒｉｎｇｃｏｍｐｏｓｉｔｅｌａｍｉｎａｔｅｓｗｉｔｈｈｏｔ￣ｐｒｅｓｓｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓ.Ｔｈｅｎꎬｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｔｈｅｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓｗｅｒｅｔｅｓｔｅｄꎬａｎｄｔｈｅｍｉｃｒｏｓｃｏｐｉｃｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙａｎｄｔｈｅｆａｉｌｕｒｅｍｏｄｅｓｏｆｔｈｅｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓｗｅｒｅｅｖａｌｕａｔｅｄ.ＴｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔＨＣ２１１０ｐｒｅｐｒｅｇｓｈａｖｅｂｅｔｔｅｒｈｅａｔｒｅｓｉｓｔａｎｃｅａｎｄｍｏｌｄｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓａｂｉｌｉｔｙｔｈａｎｆｏｒｅｉｇｎｅｑｕｉｖａｌｅｎｔｐｒｏｄｕｃｔｓ.Ｍｏｒｅｏｖｅｒꎬｍｉｃｒｏｓｃｏｐｉｃｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙｏｆｔｈｅｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓｓｈｏｗｓｔｈａｔｔｈｅｕｎｉｆｏｒｍｉｔｙｏｆｔｈｅｆｉｂｅｒｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｉｎｔｈｅｃｏｍｐｏｓｉｔｅｌａｍｉｎａｔｅｒｅｖｅａｌｓｌｉｔｔｌｅｅｆｆｅｃｔｏｎｔｈｅ０ʎｔｅｎｓｉｌｅｓｔｒｅｎｇｔｈ.Ｔｈｅｎꎬｔｈｅｐｏｏｒｉｎｔｅｒｆａｃｅｂｏｎｄｉｎｇｒｅｓｕｌｔｓｉｎｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｄｅｃｒｅａｓｅｏｆｔｈｅ９０ʎｔｅｎｓｉｌｅｓｔｒｅｎｇｔｈ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ＴｈｅｒｍｏｐｌａｓｔｉｃＣｏｍｐｏｓｉｔｅｓꎻＣａｒｂｏｎＦｉｂｅｒꎻＰｏｌｙｅｔｈｅｒｅｔｈｅｒｋｅｔｏｎｅꎻＴｈｅｒｍｏｆｏｒｍｉｎｇꎻＭｅｃｈａｎｉｃａｌＰｒｏｐｅｒｔｉｅｓꎻＦａｉｌｕｒｅＭｏｄｅ碳纤维增强热塑性复合材料作为先进复合材料的典型代表ꎬ因其众多优点而受到多个领域广泛的关注[１－２]ꎬ碳纤维增强聚醚醚酮(ＣＦ/ＰＥＥＫ)复合材料作为高性能复合材料已应用于航空航天㊁汽车电气㊁生物医疗等领域[３]ꎮ因此针对聚醚醚酮复合材料性能的研究引起许多学者的关注ꎮＦｕｊｉｈａｒａ等[４]研究发现ＣＦ/ＰＥＥＫ复合材料断裂形貌的变化是由树脂降解引起的ꎬ试件在疲劳载荷下裂纹扩展易发生在基体处ꎮＢｉｓｍａｒｃｋ等[５]研究了ＣＦ/ＰＥＥＫ复合材料弯曲性能及破坏模式ꎬ发现低弯曲应变会导致裂纹扩展ꎬ树脂基体韧性越好且纤维拉伸强度越低ꎬ失效时间越长ꎮＸｕ等[６]研究发现ＣＦ/ＰＥＥＫ复合材料力学性能受浸渍效果和基体降解影响较大ꎬ而弯曲载荷对基体劣化的影响比拉伸载荷对基体劣化影响更敏感ꎮ在众多的关于聚醚醚酮的研究中ꎬＰＥＥＫ预浸料基本依赖国外ꎬ一方面是ＣＦ/ＰＥＥＫ复合材料加工性能和耐蠕变性能不如热固性复合材料ꎻ另一方面国内研究ＰＥＥＫ复合材料微观结构和破坏模式工作大多关注单一因素ꎬ分析未对比同级别产品ꎮ因此ꎬ本文结合课题组研发的树脂及预浸料ꎬ采用热压成型工艺制备ＨＣ２１１０复合材料ꎬ分析拉伸性能与破坏模式的联系ꎬ为国内ＣＦ/ＰＥＥＫ热塑性复合材料性能优化及破坏机制研究提供可靠依据ꎮ１㊀实验部分１１㊀主要原材料牌号ＨＣ２１１０和ＴＣ１２００均为连续碳纤维预浸料ꎬ０１１ ∗通信作者ｌｉｕｇａｎｇ＠ｄｈｕｅｄｕｃｎ作者简介:孙洪霖ꎬ男ꎬ１９９５年生ꎬ在读硕士研究生ꎬ主要从事热塑性树脂及其复合材料研究ꎮｓｈｌ８６４７＠１６３ｃｏｍ第４９卷第３期孙洪霖ꎬ等:连续碳纤维增强聚醚醚酮复合材料的制备及力学性能ＨＣ２１１０为国产预浸料ꎬ树脂为自主研发ＰＥＥＫ树脂ꎬ碳纤维牌号为中安信ＺＡ５０ＸＣ２４ＫꎬＴＣ１２００为Ｔｏｒａｙ公司产品ꎬ树脂为ＶｉｃｔｒｅｘＰＥＥＫ树脂ꎬ碳纤维牌号为ＡＳ－４１２Ｋꎮ１２㊀主要设备及仪器超声点焊机:ＫＨ－２８６０ꎬ威海科海自动化有限公司ꎻ真空热压机:ＨＳ１００ꎬ西安恒盛机电有限公司ꎻ水切割机:ＰｒｏｔｏＭＡＸꎬ美国ＯＭＡＸ公司ꎻ超声无损检测系统:ＰＶＡＡＭ－３００ꎬ德国ＰＶＡ公司ꎻ万能试验机:Ｉｎｓｔｒｏｎ５９８２ꎬ美国Ｉｎｓｔｒｏｎ公司ꎻ金相显微镜:ＤＭ４Ｐ偏光显微镜ꎬ德国Ｌｅｉｃａ公司ꎻ扫描电子显微镜:ＪＣＭ－６０００Ｐｌｕｓꎬ日本ＪＥＯＬ公司ꎮ１３㊀样品制备成型前需用丙酮处理模具表面ꎬ然后用脱模剂间隔１０ｍｉｎ处理３次ꎬ再将模具在鼓风干燥箱中恒温２００ħ处理３０ｍｉｎꎮ将预浸料按照模具尺寸和预设角度进行裁剪后铺层ꎬ铺层方式见力学性能测试标准ꎬ用超声焊接枪焊接预浸料ꎬ再用热压成型工艺制备复合材料层合板ꎬ成型工艺如图１所示ꎮ图１㊀模压成型工艺图Ｆｉｇ１㊀Ｍｏｌｄｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｄｉａｇｒａｍ１４㊀测试与表征采用ＤＳＣ测试预浸料的热性能ꎻ制备成复合材料层合板后ꎬ用超声无损检测系统检测其内部质量ꎻ使用金相显微镜检测复合材料层间形貌ꎻ使用万能试验机检测其力学性能ꎬ拉伸㊁弯曲㊁压缩㊁剪切及开孔压缩性能测试标准见表１ꎬ使用扫描电镜检测其界面形貌ꎮ２㊀结果与讨论２１㊀预浸料的热性能图２为不同预浸料的ＤＳＣ曲线ꎬ其中ꎬＨＣ２１１０预浸料树脂的玻璃化转变温度(Ｔｇ)为１５６ħꎬ熔融温度(Ｔｍ)为３１１ħꎬ高于ＴＣ１２００预浸料树脂的Ｔｇ约１４ħꎬ低于ＴＣ１２００的Ｔｍ约４０ħꎬ即表明相对于商业化ＰＥＥＫ树脂ꎬ本文中所采用的预浸料树脂既保证了复合材料良好的热性能ꎬ又可以在一定程度上降低复合材料的成型工艺温度ꎮａ－ＨＣ２１１０ｂ－ＴＣ１２００图２㊀ＨＣ２１１０和ＴＣ１２００的ＤＳＣ曲线Ｆｉｇ２㊀ＤＳＣｏｆＨＣ２１１０ａｎｄＴＣ１２００２２㊀复合材料的质量及力学性能图３㊀超声无损检测Ｆｉｇ３㊀Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｎｏｎ￣ｄｅｓｔｒｕｃｔｉｖｅｔｅｓｔｉｎｇ表１㊀复合材料力学性能及测试标准Ｔａｂ１㊀Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓａｎｄｔｅｓｔｓｔａｎｄａｒｄｓｏｆｌａｍｉｎａｔｅ机械性能ＴＣ１２００复合材料[７]ＨＣ２１１０复合材料测试标准０ʎ拉伸强度/ＭＰａ２２８０２１６３ＡＳＴＭＤ３０３９－２００００ʎ拉伸模量/ＧＰａ１３０１１３ＡＳＴＭＤ３０３９－２０００９０ʎ拉伸强度/ＭＰａ８６０１４２ＡＳＴＭＤ３０３９－２０００９０ʎ拉伸模量/ＧＰａ１００８６ＡＳＴＭＤ３０３９－２００００ʎ压缩强度/ＭＰａ１３００１０６１ＡＳＴＭＤ６６４１－２００１０ʎ压缩模量/ＧＰａ１２４１１３ＡＳＴＭＤ６６４１－２００１０ʎ弯曲强度/ＭＰａ－１６８１ＡＳＴＭＤ７９０－２００３０ʎ弯曲模量/ＧＰａ－１３７ＡＳＴＭＤ７９０－２００３层间剪切强度/ＭＰａ９４８９ＡＳＴＭＤ２３４４－２０００开孔压缩强度/ＭＰａ３２０３２４ＡＳＴＭＤ５７６６－２００２１１１塑㊀料㊀工㊀业２０２１年㊀㊀由图１成型工艺制备出ＨＣ２１１０复合材料层合板ꎬ其内部质量的超声检测结果如图３所示ꎬ色谱柱红色到蓝色的颜色变化表明质量由差到优依次递增ꎮ结果表明ꎬ层合板内部质量整体较好ꎬ具有力学性能测试的典型性ꎮ测试得到的力学性能列于表１ꎮ力学性能结果表明ꎬＨＣ２１１０与ＴＣ１２００复合材料的０ʎ拉伸性能和层间剪切性能基本相当ꎬＨＣ２１１０的开孔压缩性能更优ꎬ但是ＨＣ２１１０复合材料的压缩性能㊁面内剪切性能及９０ʎ拉伸性能较ＴＣ１２００复合材料存在一定差异ꎮ２３㊀复合材料的拉伸性能及破坏模式ａ－ＴＣ１２００ｂ－ＨＣ２１１０１ꎬ２－分别表示局部位置放大图ꎮ图４㊀层合板金相照片Ｆｉｇ４㊀Ｍｅｔａｌｌｏｇｒａｐｈｉｃｐｈｏｔｏｏｆｌａｍｉｎａｔｅｓ预浸料制备的层合板９０ʎ方向截面金相照片如图４所示ꎮＨＣ２１１０复合材料相对于ＴＣ１２００复合材料树脂分布均一性较差ꎬ存在局部纤维体积分数高的区域ꎬ且富树脂区域偏多ꎮＺＡ５０ＸＣ碳纤维相较于ＡＳ￣４碳纤维拉伸强度更高ꎬ但是ＨＣ２１１０复合材料与ＴＣ１２００复合材料拉伸强度相近ꎬ原因是单向复合材料中存在的纤维错位和浸渍不足等缺陷导致了碳纤维拉伸强度的分散ꎮ因此ꎬ纤维分布不均以及浸渍效果差会降低复合材料０ʎ拉伸强度ꎮ拉伸试验后ꎬ复合材料试样的破坏模式如图５所示ꎮ破坏试样观察到两种典型破坏模式ꎬ即断口呈现碎片化的劈裂模式和断口较为光滑的阶梯模式[８－９]ꎮ结果表明ꎬＨＣ２１１０复合材料失效大部分(７０％)是由整个试样长度上劈裂引起的ꎬ当裂纹从试样表面开始时ꎬ出现纤维断裂的逐步累积过程ꎮ纤维没有完全断裂时ꎬ载荷无法转移至邻近区域ꎬ所储存应变不足以导致广泛集体分裂ꎬ出现刷子状劈裂破坏ꎬ这与Ｍａ[８]㊁Ｄｉａｏ[９]等研究结果一致ꎮ裂纹通过纤维束时ꎬ其尖端的强剪切应力集中引起了垂直于纤维方向的裂纹扩展ꎬ将试件分为两部分ꎬ即载荷作用下纤维断裂是单向层合板的主要损伤形式ꎮ而０ʎ方向施加的荷载大部分由碳纤维承担ꎬ在力学强度弹性范围内ꎬ因此它对弹性模量的影响小ꎬ这与Ｄｒｚａｌ[１０]观点一致ꎮ图５㊀ＨＣ２１１０层合板０ʎ拉伸破坏Ｆｉｇ５㊀０ʎｔｅｎｓｉｌｅｆａｉｌｕｒｅｏｆＨＣ２１１０ｌａｍｉｎａｔｅｓａꎬｂ－ＨＣ１２００ｃꎬｄ－ＴＣ２１１０图６㊀复合材料９０ʎ拉伸界面ＳＥＭ照片Ｆｉｇ６㊀ＳＥＭｐｈｏｔｏｇｒａｐｈｙｏｆ９０ʎｓｔｒｅｔｃｈｉｎｇｉｎｔｅｒｆａｃｅｏｆｃｏｍｐｏｓｉｔｅＨＣ２１１０复合材料９０ʎ拉伸强度(１４２ＭＰａ)是ＴＣ１２００复合材料９０ʎ拉伸强度(８６ＭＰａ)的１７％ꎬ９０ʎ拉伸模量为后者的８６％ꎬ性能相差较大ꎮ两者９０ʎ拉伸界面如图６所示ꎮ复合材料性能对纤维基体附着力的敏感性取决于基体和纤维的连接方式以及施加的载荷在复合材料中的传递和分布方式[１０]ꎮ在９０ʎ方向施加载荷时ꎬ纤维㊁基体和两者的界面均承担相同的载荷ꎮ如图６ａ㊁２１１第４９卷第３期孙洪霖ꎬ等:连续碳纤维增强聚醚醚酮复合材料的制备及力学性能ｂ所示ꎬＨＣ２１１０复合材料９０ʎ拉伸破坏主要是纤维和树脂的脱黏和纤维横向剥离形成的ꎬＳＥＭ照片可以看到纤维拔出后留下的凹痕ꎬ截面的纤维黏附树脂少ꎬ纤维/树脂界面强度低ꎬ表明ＨＣ２１１０复合材料较弱的界面黏接性能ꎮ而图６ｃ㊁ｄ显示了ＴＣ１２００复合材料９０ʎ拉伸破坏后的微观形貌ꎬ截面不规则的纤维断裂以及纤维间丰富的树脂黏接表明良好的界面结合能力ꎬ因此９０ʎ拉伸性能较好ꎮ３㊀结论１)自主研发的聚醚醚酮与国外同级别产品相比ꎬＴｇ提高约１４ħꎬＴｍ降低约４０ħꎬ作为热塑性复合材料树脂基体ꎬ能够同时赋予复合材料良好的热性能和加工性能ꎮ２)采用本文工艺可以制备得到内部质量良好的ＨＣ２１１０复合材料ꎬ与ＴＣ１２００复合材料相比ꎬ０ʎ拉伸强度无明显差异ꎬ压缩性能㊁层间剪切性能和开孔压缩性能分别达到后者８２％㊁９５％及１０１％ꎬ但是９０ʎ拉伸性能低约８０％ꎮ３)分析拉伸破坏模式知ꎬ０ʎ拉伸强度差异是由于层合板中纤维分布及浸渍效果对碳纤维拉伸强度分散的影响ꎻ９０ʎ拉伸破坏形式是纤维和树脂的脱粘和纤维横向剥离ꎬ拉伸性能差是由弱界面性引起的ꎬ导致９０ʎ拉伸性能差异较大ꎬ即界面性能需要进一步改善ꎮ参㊀考㊀文㊀献[１]ＳＥＮＴＨＩＬＮＡＴＨＡＮＫꎬＨＩＲＥＭＡＴＨＣＰꎬＮＡＩＫＮＫꎬｅｔａｌ.ＭｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｄａｍａｇｅｄｅｐｅｎｄｅｎｔｓｔｉｆｆｎｅｓｓｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎｏｆｕｎｉｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌＣＦＲＰｃｏｍｐｏｓｉｔｅｕｎｄｅｒｃｙｃｌｉｃｌｏａｄｉｎｇ[Ｊ].ＣｏｍｐｏｓｉｔｅｓꎬＰａｒｔＡ:ＡｐｐｌｉｅｄＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇꎬ２０１７ꎬ１００:１１８－１２７.[２]ＭＡＣＨＡＤＯＭꎬＭＵＲＥＮＵＬꎬＦＩＳＣＨＬＳＣＨＷＥＩＧＥＲＭꎬｅｔａｌ.Ａｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｈｅｔｈｅｒｍｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌｓｈｅａｒｂｅｈａｖｉｏｕｒｏｆｗｏｖｅｎ￣ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄｔｈｅｒｍｏｐｌａｓｔｉｃ￣ｍａｔｒｉｘｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓｄｕｒｉｎｇｆｏｒｍｉｎｇ[Ｊ].ＣｏｍｐｏｓｉｔｅｓꎬＰａｒｔＡ:ＡｐｐｌｉｅｄＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇꎬ２０１６ꎬ８６:３９－４８.[３]钟明强ꎬ益小苏ꎬＪＡＣＯＢＳＯ.短碳纤维增强注塑聚醚醚酮复合材料微观结构与力学性能研究[Ｊ].复合材料学报ꎬ２００２(１):１２－１６.ＺＨＯＮＧＭＱꎬＹＩＸＳꎬＪＡＣＯＢＳＯ.Ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｓｈｏｒｔｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄｉｎｊｅｃ￣ｔｉｏｎｍｏｌｄｅｄＰＥＥＫｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ[Ｊ].ＡｃｔａＭａｔｅｒｉａｅＣｏｍｐｏｓ￣ｉｔａｅＳｉｎｉｃａꎬ２００２(１):１２－１６.[４]ＦＵＪＩＨＡＲＡＫꎬＨＵＡＮＧＺＭꎬＲＡＭＡＫＲＩＳＨＮＡＳ.Ｉｎ￣ｆｌｕｅｎｃｅｏｆｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓｏｎｂｅｎｄｉｎｇｐｒｏｐｅｒｔｙｏｆｃｏｎ￣ｔｉｎｕｏｕｓｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄＰＥＥＫｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ[Ｊ].ＣｏｍｐｏｓｉｔｅｓＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬ２００４ꎬ６４(１６):２５２５－２５３４.[５]ＢＩＳＭＡＲＣＫＡꎬＨＯＦＭＥＩＥＲＭꎬＤÜＮＥＲＧ.Ｅｆｆｅｃｔｏｆｈｏｔｗａｔｅｒｉｍｍｅｒｓｉｏｎｏｎｔｈｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｃａｒｂｏｎｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄｕｎｉｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌｐｏｌｙ(ｅｔｈｅｒｅｔｈｅｒｋｅｔｏｎｅ)(ＰＥＥＫ)ｃｏｍｐｏｓ￣ｉｔｅｓ:Ｓｔｒｅｓｓｒｕｐｔｕｒｅｕｎｄｅｒｅｎｄ￣ｌｏａｄｅｄｂｅｎｄｉｎｇ[Ｊ].Ｃｏｍ￣ｐｏｓｉｔｅｓꎬＰａｒｔＡꎬＡｐｐｌｉｅｄＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇꎬ２００７ꎬ３８(２):４２０－４２６.[６]ＸＵＺＰꎬＺＨＡＮＧＭꎬＧＡＯＳＨꎬｅｔａｌ.Ｓｔｕｄｙｏｎｍｅ￣ｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｕｎｉｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒ￣ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄＰＥＥＫｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓｆａｂｒｉｃａｔｅｄｂｙｔｈｅｗｒａｐｐｅｄｙａｒｎｍｅｔｈｏｄ[Ｊ].ＰｏｌｙｍｅｒＣｏｍｐｏｓｉｔｅｓꎬ２０１７ꎬ４０(１):５６－６９.[７]ＴＯＲＡＹＡＣ.ＴｏｒａｙＣｅｔｅｘ®ＴＣ１２００ＰＥＥＫ[ＤＢ/ＯＬ]. (２０１９－０７－１５)[２０２０－１１－１０].ｈｔｔｐｓ://ｗｗｗ.ｔｏｒａｙｔａｃ.ｃｏｍ/ｐｒｏｄｕｃｔ￣ｅｘｐｌｏｒｅｒ/ｐｒｏｄｕｃｔｓ/ｏｖｌ４/Ｔｏｒａｙ￣Ｃｅｔｅｘ￣ＴＣ１２００. [８]ＭＡＹꎬＵＥＤＡＭꎬＹＯＫＯＺＥＫＩＴꎬｅｔａｌ.Ａｃｏｍｐａｒａｔｉｖｅｓｔｕｄｙｏｆｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓａｎｄｆａｉｌｕｒｅｂｅｈａｖｉｏｒｏｆｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒ/ｅｐｏｘｙａｎｄｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒ/ｐｏｌｙａｍｉｄｅ６ｕｎｉｄｉｒｅｃ￣ｔｉｏｎａｌｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ[Ｊ].ＣｏｍｐｏｓｉｔｅＳｔｒｕｃｔｕｒｅｓꎬ２０１７ꎬ１６０:８９－９９.[９]ＤＩＡＯＸꎬＹＥＬꎬＭＡＩＹＷ.ＦａｔｉｇｕｅｂｅｈａｖｉｏｕｒｏｆＣＦ/ＰＥＥＫｃｏｍｐｏｓｉｔｅｌａｍｉｎａｔｅｓｍａｄｅｆｒｏｍｃｏｍｍｉｎｇｌｅｄｐｒｅｐｒｅｇ.ＰａｒｔＩ:Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｓｔｕｄｉｅｓ[Ｊ].ＣｏｍｐｏｓｉｔｅｓꎬＰａｒｔＡ:ＡｐｐｌｉｅｄＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇꎬ１９９７ꎬ２８(８):７３９－７４７.[１０]ＤＲＺＡＬＬＴꎬＭＡＤＨＵＫＡＲＭ.Ｆｉｂｒｅ￣ｍａｔｒｉｘａｄｈｅｓｉｏｎａｎｄｉｔｓｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｔｏｃｏｍｐｏｓｉｔｅｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ[Ｊ].ＪｏｕｒｎａｌｏｆＭａｔｅｒｉａｌｓＳｃｉｅｎｃｅꎬ１９９３ꎬ２８(３):５６９－６１０.(本文于２０２０－１１－３０收到)㊀阿科玛宣布进一步提升中国常熟基地Ｋｙｎａｒ®氟聚合物产能阿科玛宣布一项投资ꎬ以进一步提升其常熟基地氟聚合物产能ꎬ即到２０２２年实现ＰＶＤＦ产能增幅３５％ꎮ同时ꎬ阿科玛欢庆常熟基地ＰＶＤＦ(聚偏二氟乙烯)成功投产迎来第一个十年ꎮ新增产能预计于２０２２年底前投产ꎮ在锂电池业务的进一步强劲需求ꎬ以及水过滤㊁建筑涂料和半导体行业的重大机遇的推动下ꎬ这项新的投资应运而生ꎮ常熟ＰＶＤＦ工厂是阿科玛集团在亚洲尤其是中国强大增长潜力的背景下ꎬ为既有涂料市场及迅速崛起的锂电池和水过滤市场而建造的ꎬ是集团第三家全球一体化ＰＶＤＦ生产工厂ꎮ３１１。

纳米Cu粉填充碳纤维／PTFE复合材料的摩擦磨损性能

０３ｎｎ — ｕ５ｍ）ｃｕｄｉｒｖｅｗａｓｔｎｅｂｓ．ｅｗａａｅｒａｅｙ４％ｕｄｒ．ｓａｄ２０Ｎ．％ａｏＣ（０ｒｉｏｌｏｅｔｅｒｅｉａｃｅｔｔｅｒｔｄｃｅｓｓｂ５ｍｐｈｒｓｈｒｅｎｅ４ｍ／ｎ０１
Ｒ０１０３Ｉ．５～．ｍ，并用乙醇溶液清洗干燥。－Ｌ１２摩擦磨损实验．
０・
－
黑０・
０．
：０．
０．
暑０．
三０・
０．
０．０．０．Ｏ．０６９１２．１２．．１５．１
利用ＭＰ．０Ｘ２０型磨损试验机，采用双环形式，０
基金项目：江苏省应用化学与材料领域研究生创新与学术交
流中心开放基金项目（００ＣＣ５；国家自然科学基金青年２１ＡＭ０）
基金项目（ｌｏｌ３．５０５２）收稿日期：０１０２１ — ３—１８
、中图分类号：Ｔ３３Ｈ１．Ｂ３；Ｔ１７１文献标识码：Ａ文章编号：０５０５（０１２４— １０２１）８— ３４０８—
ＴｒｂｌｇｃｌＰｒｐｒｉｓｏｎ－ｉｆｒｅｉｏｏｉａｏｅｔｅｆＮａｏＣｕＲｅｎｏｃｄＣａｂｏｂｅ／ｒｎＦｉｒＰＴＦＥｍｐｓｔｓＣｏｏｉｅ
ｃｍｐｒｄｗｉ／ＴＦｏｏｉ．ＥＭｔｄｈｗｓｔａａｏＣｕｈｓｇｏｃｏｃｐｃｒｉｆｒｅｆｅｔｉｉｅｐｕｏｏａｅｔＣＦＰＥｃｍｐｓｔＳｈｅｓｕｙｓｏｈｔｎｎ — ａｏｄｍｉｒｓｏｉｅｎｏｃｄｅｆｃ，ｔｓｈｌｆｌｔ

不同颗粒增强铁基复合材料磨损性能的对比

收稿日期:2009-08-26基金项目:国家自然科学基金资助项目(50771028,50471024);长江学者和创新团队发展计划项目(IRT 0713)作者简介:李杰(1982-),男,浙江宁波人,东北大学博士研究生;宗亚平(1956-),男,陕西榆林人,东北大学教授,博士生导师第31卷第5期2010年5月东北大学学报(自然科学版)Journal of Northeastern U niversity(Natural Science)Vol 31,No.5M ay 2010不同颗粒增强铁基复合材料磨损性能的对比李杰,宗亚平,王耀勉,庄伟彬(东北大学材料各向异性与织构教育部重点实验室,辽宁沈阳 110004)摘要:采用动态电流直加热制备,提出了分段加热工艺,研究了陶瓷颗粒增强铁基复合材料的磨损性能和磨损机理结果表明:四种不同颗粒增强铁基复合材料的磨损量均在#45钢磨损量的15%以下;T i(C,N)对改善材料磨损性能作用最强,表明与基体界面可经受一定变形量的强化粒子最有利于提高耐磨性;复合材料的耐磨性均在强化粒子体积分数为10%时达到最好铁基复合材料表现出高摩擦系数时耐磨性反而更好的特性,在耐磨材料应用方面显示出巨大优势关键词:铁基复合材料;磨损性能;增强粒子类型;热压烧结中图分类号:T G 333 文献标志码:A 文章编号:1005-3026(2010)05-0660-05Comparative Investigation on Wear Behavior of Iron Matrix Composites Reinforced by Different Ceramic ParticlesL I Jie,ZONG Ya -p ing ,WAN G Yao -m ian ,Z H UAN G Wei -bin(K ey Labor ator y of Anisotropy &T exture of M aterials,M ini stry of Education,Nort heaster n U niv ersity,Shenyang 110004,China.Cor respondent:ZON G Ya -ping,E -mail:ypzong @)Abstract:A number of iron m atrix composites reinforced by different types of ceramic particles w ere prepared by the process of two -step dynamic electric current heating and sectional hot pressing to investigate the effects of reinforcing particles on the w ear behavior of the composites.T he results showed that the w ear loss of all those iron matrix com posites is low er than 15%of that of the #45carbon steel which is w idely used in China.T he T i(C,N)particles function as the strongest influencing factor on improving the wearability in the four ceramic particles used,i.e.,the reinforced ceramic particles w hich are endurable to a certain deformation on the interfaces betw een them and matrix are most beneficial to improving w earability.On the other hand,the w earability of all those composites come up to their max imum if the volume fraction of reinforcing particles is 10%,and the w earability becomes better if the friction coefficient of the composites is high.Such features make the composites superior in m any application fields,such as brake making.Key words:iron matrix composites;w earability;reinforcing particles;hot press sintering 颗粒增强金属基复合材料具有高的比强度、比刚度、好的耐热性能以及较低的热膨胀系数和高的尺寸稳定性等一系列优点其中,铝基复合材料受到了很大的重视,得到了广泛的应用[1-2],而铁基复合材料成本低、性能高,是最具有工业研究价值的金属基复合材料之一[3-4] 但是,相对于其他金属基复合材料而言,铁基复合材料熔点高、制备困难,尽管有很多的探索性研究,但制备材料性能低,没有取得显著的工业应用[3-4]电流直加热动态热压烧结工艺和设备[5-8]大大缩短了制备时间,解决了陶瓷颗粒与铁基体剧烈反应的困难,并通过对工艺的改进,取得了显著的研究进展[5-8],铁基复合材料的拉伸性能达到了文献检索报道的先进水平[8]铁基复合材料在耐磨材料、工磨具钢等领域具有强大的潜力,能够发挥重要作用,因此考察铁基复合材料的耐磨性能就显得尤为重要同时多数文献报道都是研究单种颗粒增强铁基复合材料耐磨性能,相互之间由于制备工艺的巨大差别结果没有可比性,还没有文献系统报道几种不同颗粒增强铁基复合材料耐磨性能的对比研究本文采用动态电流直加热制备方法,并提出了分段加热的改进工艺,制备了SiC/Fe,Cr3C2/ Fe,TiC/Fe和Ti(C,N)/Fe复合材料,在相同工艺条件下考察不同颗粒增强铁基复合材料的耐磨性和磨损机理,为钢铁基复合材料的推广应用提供必要的研究数据和理论基础,增进钢铁材料在材料领域中应用的竞争力1 实验材料和实验方法实验中以Cr3C2,SiC,T iC,Ti(C,N)粉末作为增强体,质量分数 99 85%,平均粒度均为3 m;以还原铁粉为基体,质量分数 98 68%,平均粒度50 6 m;以化学纯硬脂酸锌为润滑剂在制备铁基复合材料的原始粉末中,Cr3C2,SiC, T iC,T i(C,N)增强颗粒的体积分数分别为5%, 10%,15%,化学纯硬脂酸锌质量分数为0 5%~ 1 0%粉末经初步混合后在搅拌球磨机上搅拌混合至均匀,在液压机上冷压成型,成型后的试样置于特意研制的电流直加热动态热压烧结装置内制备将制备好的试样去毛刺磨平,在450SVD维氏硬度计上测定试样的硬度采用阿基米德排水法测定试样的密度摩擦磨损试验在M G-2000型销-盘式高温高速摩擦磨损试验机上进行试验条件:转速为500r/min,共4000转,载荷分别为50,80,100,120N 实验中用金相显微镜和扫描电镜观察铁基复合材料的显微组织和试样磨损后的表面形貌2 结果与讨论2.1 分段加热工艺的作用本课题组研究电流直加热动态热压烧结工艺时,采用的是连续电流一次加热的方法最佳工艺参数是:烧结时间为600s,烧结电压5V,初始感应电压550V[5-8] 一次连续电流加热烧结由于升温快而不易控制,试样整体烧结时间不充分而性能不易提高,且实验重复性差,为此需要进一步改进烧结工艺本文提出了分段加热烧结工艺,即分段电流烧结经实验研究得出的最佳工艺参数是:烧结电压5V,初始感应电压550V 首先连续电流直接升温100s,转入循环电流加热后,加热和间歇时间比为1/1,每个循环为2s,动态保温100次,这样试样总制备时间是300s,比原工艺制备时间缩短了一半图1为两种工艺制备的SiC/Fe复合材料的对比,可见,经过改进工艺,复合材料的性能得到了很大的提高因此,所有样品均采用新工艺制备图1 两种工艺制备的SiC/Fe复合材料Fig.1 Comparison of the properties of SiC/Fe pr oduced by two different pr ocess es(a) 相对密度;(b) 硬度2.2 硬度和磨损性能对比对比各种陶瓷增强颗粒的作用是本研究的主要目的图2为不同颗粒含量铁基复合材料性能的对比图2a表明,当增强体体积分数为10%时,复合材料硬度最高其中Cr3C2/Fe硬度最高,SiC/Fe硬度次之,而Ti(C,N)/Fe硬度最低从图2b可以看出各种复合材料均表现出很好的耐磨性能,磨损量均是经过淬火+低温回火后的#45钢磨损量的15%以下 Ti(C,N)/Fe的磨损量最低,以下依次是SiC/Fe,TiC/Fe,Cr3C2/Fe,说明Ti(C,N)粒子对改善复合材料磨损性能作用最强,SiC和TiC颗粒次之,Cr3C2颗粒虽然对提高复合材料的硬度最显著,但对改善耐磨性能效果却最差而且对比图2a和图2b,当增强体体积分数为10%时,SiC/Fe硬度明显高于Ti(C,N)/Fe和T iC/Fe,而3种复合材料的磨损量差别很小可见,复合材料的耐磨性与硬度没有直接对应关系,这与普通金属材料耐磨性的变化规律有很大661第5期李杰等:不同颗粒增强铁基复合材料磨损性能的对比的不同同时,可以看出,当增强体体积分数为10%时,各种复合材料的磨损量最小,这与材料拉伸强度[8]的变化规律是一致的从增强颗粒化学性质分析,Ti(C,N )是由具有相似结构和性能的T iC 和TiN 之间形成的连续固溶体,并且具有较高的硬度、耐磨性,还有一定的韧性和强度,是与基体界面可经受一定变形量的强化粒子,实验表明对改善材料耐磨性效果明显好于碳化物而SiC 是共价键型,Si C 间键力很强,决定了其具有稳定的晶体结构和化学特性,以及非常高的硬度等性能,耐磨性提高效果次之 TiC 和Cr 3C 2脆性高、界面结合强度高、颗粒硬,且在高温下热稳定性好及对基体的不溶性,结果提高耐磨性能最差由此可见,强化粒子的化学性质对提高复合材料耐磨性的效果起重要作用,在磨损过程中颗粒与基体结合界面脆而强,界面可经受变形量很低,因此提高耐磨性效果差,而与基体结合界面有一定可变形量的、不与基体发生化学反应的强化粒子,能更有效地提高铁基复合材料的耐磨性图2 不同颗粒含量铁基复合材料性能的对比Fig.2 Performance comparison of the iron m atrix composites with di fferent volum e fracti on of reinforcing parti cles(a) 硬度;(b) 磨损量#1:#45钢;#2:Cr 3C 2/Fe;#3:SiC/F e;#4:T iC/Fe;#5:T i(C,N )/Fe2.3 材料摩擦系数和磨损性能与载荷的关系为了研究试验载荷对铁基复合材料磨损性能的影响,本试验选择耐磨性能较好的10%T iC/Fe复合材料和10%Ti(C,N)/Fe 复合材料作为研究对象,载荷分别为50,80,100和120N,试验结果如图3所示图3 载荷对两种铁基复合材料磨损性能的影响F i g.3 Influence of load on the wear behavior of two i ron matrix com pos i tes(a) 对磨损量的影响;(b) 对摩擦系数的影响图3a 为载荷对10%TiC/Fe 和10%Ti(C,N)/Fe 复合材料磨损量的影响当载荷较小时,两种铁基复合材料磨损量较低、差别很小;当载荷超过100N 时,两种铁基复合材料的磨损量急剧增加、差别明显增大图3b 为试验载荷对两种铁基复合材料摩擦系数的影响两种铁基复合材料摩擦系数均随着载荷的增加呈先降低后逐渐平稳趋势,在载荷为50N 时摩擦系数最大原因是:在较低载荷下,由于试样表面粗糙度大,引起摩擦系数较大;随着载荷的增加,磨损表面和亚表层受到正压力增加,亚表层塑性变形加大,磨面上的凸凹峰相互作用增大,其有效接触面增加,试样和摩擦副摩擦产生的热量增多,温度升高,导致试样表面粗糙度减小,摩擦系数降低;而当载荷增加到一定程662东北大学学报(自然科学版) 第31卷度时,磨损表面和亚表层的塑性变形达到相对稳定的状态,表面磨损趋于稳定,摩擦系数也趋于稳定对比图3a,图3b 可以发现,复合材料表现出高摩擦系数时耐磨性反而更好的现象,这表明铁基复合材料非常适合作摩擦材料,例如刹车片等,通过适当控制增强颗粒的种类、含量、尺寸等微观条件,进一步改进耐磨性与强度,铁基复合材料同样可以在模具应用方面显示出巨大前景 2.4 磨损机理的讨论图4是不同载荷下两种铁基复合材料的磨损形貌的比较从图4a 可以看出,当载荷为50N 时,10%T iC/Fe 表面滑痕和犁沟现象不明显;随着载荷的增加,犁沟现象加剧,并伴有少量块状物质脱落;当载荷继续增加达到120N 时(如图4b 所示),磨损表面有大量块状物质脱落,并伴随有大量细小裂纹出现这说明随着载荷的增加,10%TiC/Fe 由小载荷时的磨粒磨损为主变成为在更大载荷下的磨粒磨损+疲劳磨损图4c 为10%Ti (C,N)/Fe 在50N 载荷下的磨损表面,可以看出表面滑痕和犁沟较浅,有粒状物质存在,随着载荷的增加,犁沟加深加宽,粒状物质增多,当载荷增加到120N 时(图4d),10%T i(C,N)/Fe 试样表面犁沟宽而深,粘着切削现象严重,出现较多凹坑所以,改变载荷大小,10%T i(C,N)/Fe 的磨损机理从小载荷下主要为磨粒磨损,逐渐转化为黏着磨损+磨粒磨损为主图4 不同载荷下两种铁基复合材料的磨损形貌Fig.4 Morphology of worn surface of di fferent iron m atri x composites(a) 10%T iC/Fe,50N;(b) 10%T iC/F e,120N;(c) 10%T i(C,N )/F e,50N ;(d) 10%T i(C,N )/Fe,120N图4的分析可以解释图3中不同载荷下两种材料耐磨性变化的实验事实,当低载荷时,两种材料的磨损机理一致,因此表现出的耐磨性也相近;而高载荷时磨损机理不同,两种材料的耐磨性也出现了明显差别可见疲劳磨损情况下,铁基复合材料的耐磨性更差为更深入对材料耐磨性进行分析,笔者选择了有代表性的材料对其进行扫描电镜下微观组织分析,希望能得到更充分、更有说服力的证据图5为各种颗粒增强铁基复合材料的显微组织图图5a 中Cr 3C 2颗粒与铁基体结合处有部分微裂纹现象,说明界面脆性强,对材料硬度贡献不大,但对磨损性能影响较大主要是因为在磨损过程中,Cr 3C 2颗粒与基体的界面开裂,甚至脱落,导致磨损性能下降,因此Cr 3C 2/Fe 表现出最差的耐磨性图5b 中SiC/Fe 复合材料中界面不干净,经过研究,部分SiC 颗粒分解,与铁形成硅铁化合物[9],因此SiC/Fe 的耐磨性能不突出图5c 中TiC 颗粒与基体反应剧烈,界面脆性显著,所以表现出耐磨性也不是很好图5d 中Ti(C,N )/Fe 显微组织缺陷较少,颗粒清晰可见,与基体结合好,界面干净,是可经受一定变形量的强化粒子,所以耐磨性能最好663第5期李杰等:不同颗粒增强铁基复合材料磨损性能的对比图5 各种颗粒增强铁基复合材料的显微组织Fig.5 M icrostructure of iron matrix com pos i tes reinforced by different particles (a) 10%Cr3C2/F e;(b) 10%SiC/Fe;(c) 10%T iC/F e;(d) 10%T i(C,N)/F e3 结论1)提出了分段加热工艺,证实了提高制备质量的作用,采用新工艺制备了SiC/Fe,TiC/Fe, Cr3C2/Fe和Ti(C,N)/Fe复合材料,均表现出很好的耐磨性能,磨损量均是#45钢的15%以下2)T i(C,N)粒子对改善铁基复合材料磨损性能作用最强,SiC和TiC次之,Cr3C2虽然提高硬度和强度最显著但改善耐磨性效果最差3)颗粒增强铁基复合材料的耐磨性与材料硬度没有直接对应关系,与基体界面可经受一定变形量的强化粒子,例如T i(C,N)对复合材料耐磨性提高作用最显著4)复合材料的耐磨性随强化粒子含量的增加而提高,在10%达到最好,继续增加含量对耐磨性没有提高甚至会降低这与材料拉伸强度的变化规律是一致的5)陶瓷颗粒增强铁基复合材料表现出高摩擦系数下耐磨性更好的特性,适当控制增强颗粒的种类、含量、尺寸等微观条件,在耐磨材料应用方面显示出巨大前景参考文献:[1]Lloyd D J.Parti cle rei n forced alum i num and magn esiummatrix com posites[J].In ternational M aterials Rev iew,1994,39(1):1-22.[2]Ozben T,Kilickap E,Cakir O.Investigation of mechanicaland machinability properties of SiC particle reinforced A-lM M C[J].Journal of M aterials Processing Technology,2008,198:220-225.[3]Pagounis E,Lindroos V K.Processing and properties ofparticulate reinforced s teel matrix composi tes[J].M ater ialsS cience a nd E ngineering A,1998,246:221-234.[4]Pagounis E,Talvi tieb M,Lindroos V K.Consolidationbehavior of a particle reinforced metal matrix compositeduring hiping[J].M aterials Research B ulletin,1996,10:1277-1285.[5]杨玉芳,宗亚平,徐娜,等电流直加热动态热压烧结制备SiC p/Fe复合材料[J] 材料研究学报,2007,21(1):67-71(Yang Yu-fang,Zong Ya-ping,Xu Na,e t al.M anufactureof SiC particle reinforced iron matrix composites by specimencurrent heati ng hot press sintering[J].Chinese Journal ofM aterials Research,2007,21(1):67-71.)[6]杨玉芳,宗亚平,徐娜,等快速致密化制备复合材料及其性能研究[J] 材料导报,2007,21(10):132-134(Yang Yu-fang,Zong Ya-pi ng,Xu Na,et al.Preparationand mechanical properties of SiC p/Fe composite by rapiddensification process[J].M ater ials Rev iew,2007,21(10):132-134.)[7]杨玉芳,宗亚平,徐娜,等 SiC p/Fe复合材料电流烧结工艺及性能研究[J] 材料与冶金学报,2007,6(2):133-137(Yang Yu-fang,Zong Ya-ping,Xu Na,et al.Study ontechnology and properties of sintered SiC p/Fe compositematerials[J].Jour nal of M ater ials and Me tallurgy,2007,6(2):133-137.)[8]杨玉芳颗粒增强铁基复合材料制备及性能的研究[D]沈阳:东北大学,2008(Yang Yu-fang.Study on the preparation and mechanicalproperties of particle rei nforced iron matrix composites[D].Sh enyang:Northeastern University,2008.)[9]Pagounis E,T alvi tieb M,Lindroos V K.Influence of themetal/ceramic interface on the microstructure and mechan i calproperties of hiped iron-based composi tes[J].Comp ositesS cience and Technology,1996,56(11):1329-1337.664东北大学学报(自然科学版) 第31卷。

POM_TPU共混物的力学性能和摩擦磨损性能研究[1]

F ig 1 E ffect o f com patib ilize Z content on notched Izod impact streng th of POM /TPU ( 70 /30) b lend
图 1 为 POM /TPU ( 质量比 70 /30, 树脂总质量为 100份, 下同 ) 共混物缺口冲击强度随增容剂 Z 用量的变化曲线。由图可知, 加入增容剂后合金的冲击强度提高, 当增容剂 Z 的用量为 5份时, 共混体系的缺口冲击强度比在同条件下, 未加入增容剂 Z 的缺口冲击强度提高了 50% 。这是由于增容剂 Z 促进了分散相 TPU 的分散, 使 POM 和 T PU 很好地形成均匀的海 - 岛结构; 能够在 POM 与 TPU 分子之间形成一种类似于互穿网络结构的物理或化学或两者兼而有之的区域, 从而大大提高了冲击强度。但是, 增容剂
# 10#
塑料工业 CH INA PLA ST ICS INDU STRY
第 37卷第 1期 2009年 1月
POM /TPU共混物的力学性能和摩擦磨损性能研究
张辉, 高西萍, 李瑞海
(四川大学高分子科学与工程学院, 四川成都 610065)
摘要: 采用双螺杆挤出熔融共混的方法制备了聚甲醛 ( POM ) 和热塑性聚氨酯弹性体 ( TPU ) /增容剂 Z 共混物。
摩擦磨损性能的改性 POM 复合材料, 近年来, P alan ive lu K 等 [ 6- 7] 采用了热塑性聚氨酯弹性体对 POM 改性。本文以热塑性聚氨酯弹性体 ( T PU ) 与 POM 共混为研究对象, 研究了该共混物的力学性能
以及摩擦磨损性能。
SEM 测试: 形态样品经液氮低温脆断, 断口在常温下经 N, N - 二甲基酰胺刻蚀处理后喷金; 磨损表面直接喷金, 然后进行电子显微镜扫描实验。

液晶微纤原位增强PTFE复合材料抗磨性能与磨损机理-摩擦学学报

第20卷　第1期摩擦学学报V o l20,　N o1 2000年2月TR I BOLO GY Feb,2000液晶微纤原位增强PTFE复合材料抗磨性能与磨损机理唐　炜1,朱宝亮1,刘家浚1,赵安赤2(1.清华大学机械工程系,北京,100084;2.清华大学化工系高分子研究所,北京,100084)摘要:将热致型液晶与PT FE混合,用模压烧结法制备出新型原位复合材料.摩擦磨损试验结果表明该复合材料具有优良的抗磨性能.研究表明:液晶在PT FE中以微纤形态存在,能很好地起到承载作用,并有利于偶件表面薄而均匀的转移膜的形成,从而改善复合材料的摩擦学性能并减轻偶件表面的损伤;液晶含量较低时,复合材料的磨损机理主要为擦伤与粘着,液晶含量较高时,其磨损机理主要为疲劳剥落.关键词:聚四氟乙烯(PT FE);热致液晶;原位复合材料;抗磨性能;磨损机理中图分类号:TQ325.4文章标识码:A文章编号:100420595(2000)0120010204 PT FE作为密封材料的使用受到人们日益广泛的重视.通常采用玻璃纤维、碳粉、青铜粉及M oS2等无机材料来填充PT FE[1],也期待尝试新的方法.近年来随着热致液晶高分子(TL CP)材料的出现,一种新的聚合物改性增强方法——原位复合增强法,已越来越受到世人的注意.采用该方法可在材料的制备过程之中同时生成增强相.将TL CP分散相加入到高聚物基体中,熔融后发生变形,形成大分子微纤,产生增强效果.这种原位复合材料的各种机械性能都得到明显改善[2～4],然而,采用模压法制备这种复合材料的效果值得研究,关于其摩擦学性能的研究也较少.本文探讨了热致液晶聚合物(TL CP)填充改性PT FE 复合材料的摩擦磨损特性.1　试验部分将粉状的TL CP与PT FE按一定比例(以质量分数计)干法混合后,经模压成型和烧结打磨制成待测样品,在MM2200型摩擦磨损试验机上按GB3960283方法测试其摩擦磨损性能.试验条件:载荷分别为49N、147N和245N;速度为200r m in、300r m in和400r m in.试样尺寸为30mm×7mm ×6mm;偶件为<mm的45#钢,硬度50～55H R C.试验前用丙酮擦拭试样和钢环表面.磨损率由计算出的磨损体积损失换算而得.磨损试验后的样品在液氮中冷冻24h后取出脆断;在CS M950型电子显微镜上观察断面、磨痕和磨屑形貌,并用能谱鉴别TL CP 的相结构.2　结果与讨论2.1　PTFE T LCP复合材料的摩擦性能表1所示为PT FE TL CP复合材料的密度和硬表1　PTFE T LCP复合材料的密度与硬度Table1　D en sity and hardness of PTFE T LCP co m posite w TLCP %D ensity g・c m-3B rinell H ardness N・mm-202.21827.152.18028.1102.11429.1202.10731.5度.可见,密度较小的液晶比PT FE的硬度高,随着液晶含量的增加,复合材料的整体硬度增加,其抵抗硬颗粒犁削作用的能力也增强.由文献[5]可知,复合材料的摩擦系数随L CP含量增加略有上升,但变化不大.这是由于L CP的摩擦系数比PT FE稍大,在L CP含量增大时,试样表面的L CP也随之增多,从而使复合材料的摩擦系数略有增大.另外液晶微纤在表面对PT FE的分隔也抑制了PT FE分子层大片滑移的自润滑作用,同时加大了克服液晶微纤断裂能所1999204210收到初稿,1999208216收到修改稿联系人唐炜.唐　炜　男,27岁,博士生,主要从事高分子复合材料摩擦学的研究.需的阻力,导致摩擦系数上升;但试样表面主要是PT FE参与摩擦,PT FE在摩擦过程中向偶件表面转移,并形成转移膜,从而使摩擦系数保持在较低的水平,且与L CP含量关系不大.同时也看到,在同样液晶含量下,粒度对摩擦系数影响不大,这也说明摩擦系数主要取决于摩擦表面上的PT FE.表2示出了在转速200r m in,不同载荷下PT FE及PT FE 15%TL CP液晶原位增强材料的摩擦系数.可以看出,随着载荷的增加,摩擦系数减小.这是由于载荷增加,真实接触面积增大,相应的塑性表2　PTFE及其复合材料在不同载荷下的摩擦系数Table2　Fr iction propertyof PTFE and its co m posite under differen t loadp NF ricti on coefficientΛPT FE PT FE 15%TL CP600.3170.3201000.2280.2382000.2110.2053000.2010.175变形和犁削作用加剧,但前者占主导所致.此外,高载荷下复合材料的Λ值比纯PT FE的小,推测这是TL CP显著减轻PT FE塑性变形的结果.表3示出了在载荷49N,不同滑动速度下PT FE 及PT FE 15%TL CP复合材料的摩擦系数.可见二表3　不同滑动速度下PTFE及其复合材料的摩擦系数Table3　Fr iction coeffec ien t of PTFEand its co m posite under differen t veloc ityv r・m in-1F ricti on coefficientΛPT FE PT FE 15%TL CP2000.1680.1873000.3170.3304000.3100.391者的摩擦系数都随速度增加而增大,并且增加幅度较大.这是因为,随着滑动速度的增加,摩擦生热加快,摩擦表面温升增大,导致表面软化甚至熔融,增大了粘着和塑性变形消耗的摩擦功,从而导致Λ值增大.此外,材料内部的分子运动不能对快速变形作出及时的反应会引起更大的犁削阻力,这是复合材料Λ值增大的另一个原因.2.2　PT FE TL CP复合材料的磨损机理图1示出了PT FETL CP复合材料表面的两相结构.可见,在复合材料表面有许多圆形相,经能谱鉴定为液晶相,因此推断在接近表面处液晶多以垂直于表面的微纤形态存在(如图2所示).这是由于液晶受热熔化后向表面迁移,在接近表面处表现出一定的取向结构,这种垂直于表面的微纤主要起承载作用. F ig1　Tw o2phase structure of PT FE TL CP surface图1　PT FE TL CP复材表面的两相结构图3示出了PT FE TL CP复合材料磨损表面形貌SE M照片.可见在液晶含量较低时,磨痕表面有明显不规则犁沟,同时可见轻微粘着现象[图3(a)],可以认为直犁沟是钢环表面的微突体和脱落液晶颗粒共同作用的结果.这是由于脱落的液晶颗粒硬度较大,可以切入较软的PT FE基体并导致磨粒磨损;而液晶颗粒对软基体造成切削的同时,碰到硬度相当的 F ig2　Surface structure of PT FE TL CP图2　复合材料近表层结构示意图液晶微纤时绕开或从其上划过而形成弯曲的犁沟.此时的磨粒磨损与纯PT FE相比[图3(b)]较轻微,但磨损表面上可见疲劳剥层特征.随着液晶含量增加,更多的液晶微纤参与承载,一方面使偶件表面的微突体和脱落液晶颗粒不易较深地切入PT FE基体;另一方面,磨粒在运行过程中,单位距离内出现更多的液晶微纤,减轻了对PT FE基体的切削作用,从而限制了磨粒磨损的发生,结果使得疲劳磨损的特征相对而言表现得更加突出[如图3(c)所示].两种组分材料在摩擦磨损过程中都以片状剥层的方式逐渐剥离,不同的是液晶材料11第1期唐炜等:　液晶微纤原位增强PT FE复合材料抗磨性能与磨损机理表现出更突出的脆性开裂.说明液晶使PT FE 抵抗犁削和磨粒磨损的能力增加,这也是复合材料耐磨性提高的重要原因.F ig 3　SE M p icture of w o rn surface of PT FE10%TL CP ,pure PT FE and PT FE30%TL CP 图3　PT FE TL CP 复合材料磨损表面形貌SE M 照片图4示出了纯PT FE 和PT FE 液晶复合材料在负荷49N ,速度200r m in ,时间1h 下摩擦表面转移膜的光学显微照片.可以看出,纯PT FE 在钢环表面没有形成连续的转移膜,转移的PT FE 在钢环表面成大片状不规则分布并且较厚.而PT FE 液晶复合材料在钢表面形成了连续且均匀的转移膜,这说明TL CP 能增强转移膜与钢表面的结合力,促进均匀连续转移膜的形成.在转移膜具有适当厚度并分布均匀时,摩擦副将具有良好的摩擦磨损性能[6].较厚的纯PT FE 转移膜与偶件表面的结合力较弱,且易脱落形F ig 4　Op tical m icrograph s of the transfer fil m of pure PT FE and PT FE10%TL CP (200×)图4　纯PT FE 和PT FE10%TL CP 的转移膜的光学显微镜照片(×200)成大片磨屑,因此磨损量大;而PT FE TL CP 复合材料的转移膜厚度适当且分布均匀,膜基结合强度较高,与偶件表面间直接对摩减轻,因而耐磨性较好.由于表面热迁移而导致液晶在表面的富集,在低含量时这种富集使复合材料表面硬度与承载能力明显提高,而在较高含量(如30%)时表面的液晶增多并聚集成团.因此,从实际应用角度考虑,复合材料中的液晶含量以20%为宜.采用非接触式红外测温仪测量偶件表面的温度,其测温范围是50～200℃,测量误差在0.1%之内.结果发现低速低载下没有明显的温升,而磨痕表面呈现较多犁沟,磨屑为小片状.此时疲劳和磨粒磨损是主要的磨损机制.其余情况的温升测量结果示于图5.可以看到,在同样载荷下,随速度的增加,温升效应明显.特别是在高速高载下,摩擦表面温度可升高到21摩　擦　学　学　报第20卷F ig 5　T emperature rise at different velocity图5　2种负荷不同转速下的摩擦温升晶发生软融,失去其承载作用,使材料发生严重的熔融磨损.这时产生的磨屑是大片长条状的.3　结论a .　所制备的PT FE TL CP 复合材料具有优良的抗磨性能.复合材料中的液晶相在近表面处形成纵向微纤结构,这种结构有利于复合材料承载能力的提高及其在偶件表面薄而均匀的转移膜的形成,从而改善复合材料的摩擦学性能并减轻对偶件的损伤,是很有前途的新型密封材料.b .　液晶含量较低的PT FE TL CP 复合材料的磨损机理主要为擦伤与粘着,而液晶含量较高的复合材料的磨损机理主要为疲劳剥落.参考文献:[1]　李同生,丛培红.填充聚四氟乙烯密封材料的研究和应用[J ].润滑与密封,1998,1:2～6[2]　益小苏,沈烈.原位复合高分子材料的成纤过程与增强机制[J ].材料研究学报,1996,10(4):337～346[3]　B retas R E S ,Baird D G .M iscibility and m echanical p ropertiesof po ly (ether i m ide ) po ly (ether ether ketone ) liquid crystalline po lym er ternary blends [J ].Po lym er,1992,33:5233～5244[4]　H e J ,Bu W .M icro structure fo r m ati on in po lyblends contain 2ing liquid crystalline po lym ers [J ].Po lym er ,1994,35:5061～5066[5]　唐炜,朱宝亮,刘家浚.新型密封材料PT FE TL CP 合金耐磨机理研究[J ].润滑与密封,1999,1:50～52[6]　张招柱,薛群基,刘维民,等.几种金属氧化物填充聚四氟乙烯复合材料在干摩擦条件下的摩擦磨损性能[J ].摩擦学学报,1997,17:45～52An I nvestigation of the An ti -wear Behav ior andW ear M echan is m s of T LCP in -situRe i nforced Polytetraf luoroethylene Com positeTAN G W ei 1,ZHU B ao 2liang 1,L I U J ia 2jun 1,ZHAO A n 2ch i2(1.M echanical E ng ineering D ep art m ent ,T sing hua U niversity ,B eij ing 100084,Ch ina ;2.Che m ical E ng ineering D ep art m ent ,T sing hua U niversity ,B eij ing 100084,Ch ina )Abstract :T he an ti 2w ear behavi o r and w ear m echan is m s of in 2situ PT FE TL CP com po sites w ere studied .T he experi m en tal resu lts show that TL CP in in 2situ PT FE TL CP com po site ex ists in a state of fib rils .T h is help s to increase the load 2carrying capacity of the com po site and speed up the fo r m ati on of a th in and un ifo r m tran sfer fil m on the coun terp art su rface ,thu s to i m p rove the tribo logical p roperties of the com po site and abate the dam age of the coun terpart su rface .A t a relatively low er con ten t of TL CP ,the w ear of PT FE TL CP com po site is characteristic of scuffing and adhesi on ,w h ile at h igher con ten t of TL CP ,it is dom inated by fatigue delam inati on .Key words :po lytetrafluo roethylene ;TL CP ;in 2situ com po site ;an ti 2w ear behavi o r ;w ear m echan is m31第1期唐炜等:　液晶微纤原位增强PT FE 复合材料抗磨性能与磨损机理。