采用碳纖維與聚四氟乙烯纖維（CF/PTFE）混編織物增強(qiáng),制備了環(huán)氧樹脂基自潤滑復(fù)合材料,研究了鋼背襯復(fù)合材料與45鋼在環(huán)-環(huán)端面干摩擦狀態(tài)下的摩擦學(xué)特性,考查了纖維織物、摩擦熱、載荷、速度對(duì)材料摩擦磨損性能的影響,用紅外熱像儀、熱電偶及風(fēng)冷方式對(duì)摩擦副溫度進(jìn)行監(jiān)控,用激光共聚焦顯微鏡和掃描電子顯微鏡對(duì)復(fù)合材料及偶件磨損面進(jìn)行了觀察與能譜分析.結(jié)果表明:與碳織物相比,混編纖維織物大大改善了復(fù)合材料的摩擦學(xué)性能,改善效果極大依賴于摩擦溫度、載荷和速度參數(shù).PTFE纖維磨損后在樹脂基體及偶件表面形成減摩型轉(zhuǎn)移膜層,材料表現(xiàn)為疲勞磨損特征.摩擦高溫使復(fù)合材料摩擦學(xué)特性改變,黏結(jié)磨損加劇,偶件鋼環(huán)表面出現(xiàn)氧化磨損,樹脂基體塑性流動(dòng),摩擦力增大.混編纖維的排布方式影響復(fù)合材料的摩擦磨損性能,摩擦面上大量破碎的碳纖維易使偶件表面轉(zhuǎn)移膜受到破壞,復(fù)合材料轉(zhuǎn)變?yōu)橐阅チＤp為主,減摩主要源于磨屑中的潤滑組分. 

【文章來源】：摩擦學(xué)學(xué)報(bào). 2016,36(05)北大核心

【文章頁數(shù)】：9 頁

【部分圖文】：

圖1兩種不同的CF/PTFE纖維混編織物排布方式

μ=MF·R磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行(最大摩擦力矩2N·m),雙環(huán)接觸端面摩擦磨損方式,試驗(yàn)原理見圖2.下環(huán)試樣采用經(jīng)淬火處理的45鋼環(huán),硬度HRC45,尺寸Φ42mm×Φ20mm×10.5mm.上環(huán)試樣為45鋼背復(fù)合材料襯層,試環(huán)尺寸Φ34mm×Φ20mm×8mm,襯層厚度2.5mm.試樣表面用砂紙打磨后拋光至表面粗糙度Ra為0.1μm,清洗干凈.摩擦磨損試驗(yàn)條件:干摩擦,轉(zhuǎn)速120~340r/min,法向載荷100~350N,時(shí)間1~2h.試驗(yàn)過程中測(cè)力傳感器動(dòng)態(tài)檢測(cè)摩擦力矩M(單位:N·m),由公式計(jì)算得到摩擦系數(shù)(式中,F為法向載荷,單位N;R為環(huán)試樣摩擦半徑,單位m),作μ–t特性曲線.用Fluke紅外熱像儀分析試樣摩擦過程中的溫度場分布,ws(m3/N·m)=mρ·F·N·2πR用熱電偶測(cè)量下試環(huán)摩擦面溫度T.試環(huán)溫度采用風(fēng)冷控制方式.試驗(yàn)結(jié)束后用超聲波清洗試樣并烘干,用精度為0.1mg的電子天平稱量磨損質(zhì)量損失m(kg),用式計(jì)算比磨損率(式中ρ為材料密度kg/m3,N為試環(huán)總轉(zhuǎn)數(shù)).采用ZEISSEVO10型掃描電子顯微鏡和牛津能譜儀對(duì)偶件和噴金處理后的復(fù)合材料磨損面進(jìn)行觀察和分析,用OlympusLEXTOLS4100激光共聚焦顯微鏡對(duì)磨損面的三維形貌進(jìn)行表征.相同條件下同組試樣(5件)進(jìn)行重復(fù)性試驗(yàn).樹脂基體玻璃化溫度測(cè)定采用美國TA公司DSC分析軟件UniversalV3.7A完成,加熱速度20K/min.2結(jié)果與討論2.1材料摩擦磨損特性為考查纖維織物對(duì)環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料摩擦磨損特性的影響,試驗(yàn)制備了4類不同復(fù)合材料襯層,其基本特征如表1所示.圖3為不同復(fù)合材料襯層在F=100N,n=240r/min時(shí)的典型摩擦特性.由圖可知,無纖維增強(qiáng)的樹脂基體襯層(No.1),初始摩擦系數(shù)在0.4~0.5范圍內(nèi)波動(dòng),隨著摩擦?xí)r間t的延長,μ、T均快速上升,60min后μ值達(dá)0.7~0.8,T值接近140℃,材料摩擦特性明顯惡化.碳織物增強(qiáng)復(fù)

材料性能的影響,首先,對(duì)樹脂基體固化物進(jìn)行了熱失重分析,如圖4(a)所示,獲得材料玻璃化溫度Tg=115.32℃.摩擦試驗(yàn)中通過增加法向載荷及減小速度的方式增大摩擦熱、通過風(fēng)冷加快摩擦熱的傳出,從而控制偶件鋼環(huán)的溫度.圖4(b)所示No.3襯層初始摩擦階段溫度場表明,摩擦熱主要聚集在襯層材料上,傳向下環(huán)試樣的熱量遠(yuǎn)高于上環(huán)方向.因此,摩擦面溫度升高的同時(shí),襯層整體溫度亦因較低的導(dǎo)熱性而增加.圖4(c)(d)表示試環(huán)在法向載荷分別為300N和350N、轉(zhuǎn)速為240r/min和120r/min時(shí)的μ–t、T–t關(guān)系.由圖可知,初始摩擦階段襯層摩擦溫度較低(30~60℃),μ值在0.2~0.3范圍內(nèi)波動(dòng),材料具有明顯的減摩性能.隨著t的延長,T值快速上升,μ值亦隨之逐漸增大.在F=300N、n=120r/min工況下,t=50min時(shí)T達(dá)150℃,μ=0.5.此時(shí)對(duì)試環(huán)進(jìn)行風(fēng)冷,并控制偶件鋼環(huán)溫度在60~70℃之間,襯層摩擦系數(shù)快速降低,μ–t曲線平穩(wěn),穩(wěn)態(tài)平均摩擦系數(shù)μ=0.33.圖4(d)表示了No.3襯層在摩擦?xí)r間t=7min后即開啟風(fēng)冷,偶件溫度控制在65~70℃之間,此時(shí)材料μ–t曲線平穩(wěn),穩(wěn)態(tài)平均摩擦系數(shù)μ=0.30.綜合可知,CF/PTFE纖維混編織物復(fù)合材料襯層在溫度低于70℃時(shí)表現(xiàn)出優(yōu)良的減摩性能,載荷、速度、摩擦?xí)r間的延長將使摩擦面溫度上升,當(dāng)積聚在襯層中的摩擦熱不能有效傳出時(shí),材料摩擦系數(shù)將隨時(shí)間逐漸上升,摩擦副溫度高于復(fù)合材料基體玻璃化溫度后的復(fù)合材料摩擦系數(shù)快速上升,摩擦特性惡化.載荷與轉(zhuǎn)速除因?qū)δΣ翢岬呢暙I(xiàn)使材料干摩擦特性產(chǎn)生上述類似的變化外,其對(duì)摩擦學(xué)過程的作用存在著另外的差異.這主要是因?yàn)槟Σ了俣仍谝欢ǔ潭壬线�反映了發(fā)生摩擦磨損的距離,而接觸壓力則在一定程度上還對(duì)應(yīng)著材料的變形情況.為考察CF/PTFE纖維混編復(fù)合材料襯層磨損性能及載荷與轉(zhuǎn)速對(duì)摩擦學(xué)特性的影響,?


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