陶瓷颗粒增强环氧树脂复合涂层的力学性能及断裂机理分析

陶瓷颗粒增强环氧树脂复合涂层的力学性能及断裂机理分析王莉容;吴燕明;陈小明;伏利;毛鹏展;周夏凉

【摘要】采用不同含量的Al2O3、ZrO2、SiC、WC这4种陶瓷颗粒分别制备了陶瓷颗粒增强环氧树脂涂层(陶瓷/环氧复合涂层),测试了所制涂层的洛氏硬度与结合强度.通过场发射扫描电子显微镜(FESEM)观察拉伸试验后涂层断裂面的形貌,探讨了涂层的断裂失效方式和断裂机理.结果表明,4种陶瓷/环氧复合涂层的洛氏硬度均较纯环氧涂层高,达到77～107 HR,呈现WC涂层＞Al2O3涂层＞ ZrO2涂层＞SiC涂层的趋势.除了陶瓷颗粒本身的硬度,其与环氧树脂的相容性对涂层洛氏硬度的影响很大.适当的陶瓷颗粒加入量能提高涂层的结合强度,加入过多反而使结合力下降.涂层的气泡或孔隙等薄弱部位作为断裂源,在外应力的作用下形成宏观裂纹,裂纹沿着薄弱区域扩展并发生偏转,最终导致涂层的断裂脱落.

【期刊名称】《电镀与涂饰》

【年(卷),期】2015(034)022

【总页数】5页(P1288-1292)

【关键词】陶瓷;环氧树脂;复合涂层;硬度;结合强度;断裂机理

【作者】王莉容;吴燕明;陈小明;伏利;毛鹏展;周夏凉

【作者单位】水利部杭州机械设计研究所,浙江杭州 310012;水利机械及其再制造技术浙江省工程实验室,浙江杭州 310012;水利部产品质量标准研究所,浙江杭州310012;水利部杭州机械设计研究所,浙江杭州 310012;水利机械及其再制造技术浙江省工程实验室,浙江杭州 310012;水利部产品质量标准研究所,浙江杭州310012;水利部杭州机械设计研究所,浙江杭州 310012;水利机械及其再制造技术

浙江省工程实验室,浙江杭州 310012;水利部产品质量标准研究所,浙江杭州310012;水利部杭州机械设计研究所,浙江杭州 310012;水利机械及其再制造技术

浙江省工程实验室,浙江杭州 310012;水利部杭州机械设计研究所,浙江杭州310012;水利部杭州机械设计研究所,浙江杭州 310012

【正文语种】中文

【中图分类】TQ63

First-author’s address:Hangzhou Mechanical Design Research Institute, Ministry of Water Resources, Hangzhou 310012, China

陶瓷颗粒增强环氧树脂复合涂层具有收缩率低、机械强度高、抗蠕变、耐腐蚀等优异的性能，因此被广泛用于冲蚀磨损防护、胶粘剂、复合材料等方面[1]。近年来，国内外一些研究者将陶瓷增强环氧涂层应用在水轮机、泥浆泵、过流泵、输煤管道、粉选机衬板等部件上[2-3]，均取得了较好的使用效果。

董柳杉等[4]用改性纳米SiO2增强环氧树脂基体，通过优化配方，制备出耐高温胶粘剂，在经过1 000 °C高温处理后，其剪切强度达到9.68 MPa；陈立贵[5]用二

硫化钼、氧化铝及SBS(苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物)作为填料来改善环氧树脂的性能，通过表面硬度和附着力来表征耐磨涂层的性能，发现当填料含量为60%时，涂层表面硬度最好，且耐磨性和附着力也较好。目前对陶瓷增强环氧树脂涂层的研究有很多[6-9]，但主要集中在配方及工艺的优化和涂层硬度、结合强度、耐磨、耐蚀等性能的提升，关于涂层断裂机理方面的研究却很少，而在实际使用时，涂层在应力作用下发生断裂是其主要失效形式，因此有必要进一步研究断裂机理，以利于其在耐磨防腐等领域内的推广和应用。本文选用Al2O3、ZrO2、SiC、WC 这4种陶瓷颗粒增强环氧基涂层(即制备陶瓷/环氧复合涂层)，表征了它们的洛氏

硬度、微观组织结构等，并用微机控制电子万能试验机对涂层进行拉伸试验，测试

其拉伸结合强度，观察陶瓷颗粒分布情况及涂层与基体断裂部位的微观形貌，探讨了涂层在拉应力作用下的断裂失效机理。

1. 1 原料

α-Al2O3(纯度99.99%，粒径0.2 ～1.0 μm)、ZrO2(纯度99.99%，粒径0.5 ～2.0 μm)、SiC(纯度99%，粒径0.5 ～0.7 μm)、WC(纯度99.9%，粒径≤1.0

μm)，均由上海晶纯生化科技公司提供。E-51双酚A型环氧树脂(环氧值0.48 ～0.54)、低分子650聚酰胺树脂[胺值(220 ± 20) mgKOH/g]，均由无锡树脂厂提供。消泡剂BYK-066N，德国毕克公司。硅烷偶联剂KBM-903，日本信越公司。

1. 2 基材前处理

采用ZG06Cr13Ni4Mo高强不锈钢作为基体，用乙醇对其表面进行超声波清洗以除去油污。为提高表面涂层的粘附力，再用30目的白刚玉对喷涂面进行喷砂粗化处理至Sa2.5级。

1. 3 陶瓷/环氧复合涂层的制备

先将环氧树脂E-51、占体系总质量0%、10%、20%和30%的陶瓷颗粒(Al2O3、ZrO2、SiC、WC)、助剂等调匀，再按照m(E-51)∶m(固化剂) = 2∶1加入聚酰

胺树脂，充分调和并静置1 h，以使气泡上浮直至完全消失。采用刮涂法涂覆涂料，刮片与基体表面呈一定的锐角，沿着同一个方向缓慢刮涂，反复几遍，在(25 ± 5) °C下固化3 d。控制膜厚约150 μm，并保持平整均匀。

1. 4 涂层表征与性能测试

1. 4. 1 微观形貌

采用卡尔蔡司的SUPRA55场发射扫描电子显微镜(FESEM)观察涂层断口处的微观形貌，由于涂层不导电，需进行喷金(Pt)处理。

1. 4. 2 洛氏硬度

依据GB/T 9342-1988《塑料洛氏硬度试验方法》采用北京时代TH300洛氏硬度

计测试陶瓷/环氧复合涂层的洛氏硬度，测试条件为直径1/2″钢球压头，试验力为588.399牛(HRR标尺)。试样直径50 mm，测试时点与点的间距大于10 mm，点到边缘的距离大于10 mm。

1. 4. 3 结合力

通过涂层与金属基体的抗拉结合强度(结合强度)来表征涂层的结合力。用济南法恩试验仪器有限公司的WDW-50型5t慢拉伸试验机采用粘结对偶试样拉力测试法测试最大载荷，按式(1)计算结合强度。拉伸速率为0.5 mm/min。

将涂料涂覆在清理干净的直径25 mm对偶试样柱表面，并将配对的2个胶粘面慢慢压合在一起，前后错动几次以便排出气泡和接触紧密，在固化期内置于定中心装置内定位，完成结合力试样制备。

式中，RH为抗拉结合强度，MPa；FM为最大载荷，N；A为断裂面横截面积，mm2。

2. 1 涂层的洛氏硬度

表1显示了Al2O3、ZrO2、SiC、WC陶瓷/环氧复合涂层的洛氏硬度。可见不论是哪种陶瓷颗粒增强涂层，其洛氏硬度都远大于纯环氧涂层(49.8 HR)，达77.5 ～107.2 HR。这说明加入陶瓷颗粒能够明显地提高复合涂层的硬度。

随着陶瓷颗粒含量增加，复合涂层的洛氏硬度逐渐增大，二者成正比。对比含量相同的陶瓷/环氧复合涂层可知，按洛氏硬度从大到小为WC涂层＞ Al2O3涂层＞ZrO2涂层＞ SiC涂层，而依据陶瓷颗粒本身的硬度，是SiC ＞ WC ＞ ZrO2＞Al2O3，复合涂层硬度与陶瓷颗粒硬度并不成正比，这与陶瓷颗粒和环氧涂层间的相容性有关，自身硬度最高的SiC陶瓷颗粒因与环氧树脂的相容性较差(对于偶联剂适配型对涂层相容性的影响这个问题会在后续的研究中进行探索)，复合涂层的洛氏硬度反而最低。

2. 2 涂层与基体的结合强度