ZrO2纖維材料的摩擦學性能研究范文

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摘要：文章制備了zro2纖維增強環氧樹脂復合材料，并研究了其摩擦學性能。研究發現，氧化鋯纖維相對于氧化鋯粉體可改善復合材料的磨損率，當氧化鋯纖維的含量為30%時復合材料的摩擦學性能最優，磨損率可以達到10－5mm3/（N•m）數量級。該結論可指導其他纖維自潤滑材料的制備及性能改善，開發出兼具優異力學性能和摩擦學性能的ZrO2纖維復合材料。

關鍵詞：ZrO2纖維；復合材料；環氧樹脂；摩擦學性能

高性能纖維通常指具有高強度、高模量、耐高溫、耐摩擦、耐化學藥品腐蝕等性能的纖維，在航空、航天、國防軍工、汽車工業等領域具有廣泛的應用價值。進一步提高特種纖維及其復合材料的性能一直是特種纖維研究領域的熱點。氧化鋯（ZrO2）纖維在高溫環境下耐氧化、耐腐蝕、強度高、不揮發、無污染，是一種能夠在1600℃以上超高溫環境下長期使用的輕質多晶耐火纖維材料。目前ZrO2纖維已被廣泛應用于材料的增韌，如ZrO2纖維增韌ZrB2復合材料、ZrO2纖維和碳纖維增韌ZrB2復合材料、ZrO2纖維和SiC纖維增韌ZrB2復合材料、ZrO2纖維增韌Al2O3復合材料等，都取得了不錯的增韌效果，應用于航天飛機絕熱與結構增強材料，導彈、火箭發動機噴管喉部、內襯用高溫穩定材料等領域。近年來，織物摩擦學興起，以纖維織物作為表面層、金屬或非金屬材料為基體、通過黏接形成的承載能力高、摩擦系數低、耐磨壽命長的纖維織物軸承材料，因具有很高的使用價值而成為研究熱點。目前該類材料在國外已廣泛應用于航空、航天及汽車等領域。由于性能優異，眾多高性能纖維，如碳纖維、玻璃纖維和芳綸等都被制備成織物復合材料并試圖將其應用于摩擦學領域。ZrO2纖維具有優異的性能，以ZrO2纖維為基體制備新型的基于摩擦學的ZrO2纖維復合材料是一種值得嘗試的途徑。目前鮮有關于制備ZrO2纖維復合材料并研究其摩擦學性能的報道。本文采用ZrO2纖維和環氧樹脂制備ZrO2纖維/環氧樹脂復合材料，并研究了其摩擦學性能。

1實驗部分

1.1原料及樣品制備

1.1.1原料ZrO2長絲（南京理工宇龍新材料科技股份有限公司），純度（ZrO2+穩定劑）≥99.7%，晶相組成為四方相或全穩定立方相，直徑為3～10μm，熔點2700℃，長期使用溫度為2200℃，常溫熱導率≤0.11W/（m•K）；ZrO2粉體（國藥集團化學試劑有限公司），粒徑1～5μm；環氧樹脂DY－E005（湖南把兄弟新材料股份有限公司）。1.1.2樣品制備ZrO2纖維/環氧樹脂復合材料樣品制備：分別按比例（混合物總重量的10%、20%、30%和50%）稱量ZrO2纖維和環氧樹脂，所制備的ZrO2纖維/環氧樹脂復合材料樣品分別標記為10ZH、20ZH、30ZH和50ZH。為使ZrO2纖維分布均勻，將ZrO2纖維與環氧樹脂混合后用攪拌器中攪拌10min，取出，放入事先準備的模具中固化。固化溫度為室溫、不加壓，固化6h后加8kPa壓力，再固化24h。將試樣從模具中取出，用切割機加工成2cm×2cm的樣品，用SiC砂紙和金相砂紙逐級打磨樣品并用表面粗糙度測試儀測試樣品粗糙度，至樣品表面的粗糙度為0.3μm。ZrO2粉體/環氧樹脂復合材料樣品制備：用與ZrO2纖維/環氧樹脂復合材料相同的方法制備ZrO2粉體/環氧樹脂復合材料樣品，用于做對比實驗，ZrO2粉體質量分數為10%，制備的復合材料樣品標記為10FH。

1.2摩擦學性能表征

在CFT－I型材料表面性能綜合測試儀上測試復合材料的摩擦學性能，采用往復式摩擦（往復半徑為5mm）。測試條件為：載荷10～50N，測試時間10～30min，轉速500～2000r/min，同一條件下的實驗至少重復3次保證數據的真實性和可重復性；對磨材料為鋼球，直徑6mm。利用CFT－I型材料表面性能綜合測試儀配套的表面粗糙度測試儀測試劃痕深度和磨損量。根據式（1）計算復合材料的磨損率。式（1）中，R代表磨損率，mm3/（N•m）；V為磨損體積，mm3；n為加載載荷，N；S為總滑動距離，m。磨損率測試后，用酒精棉清潔磨損表面，吹干后表面噴金，用掃描電子顯微鏡（SEM，JSM－5600LV）觀察微觀結構和磨損表面形貌。

2實驗結果與討論

2.1ZrO2纖維含量對復合材料摩擦性能的影響

ZrO2粉體及不同纖維含量的環氧樹脂復合材料的摩擦系數如圖1所示。由圖1可以看出，ZrO2粉體/環氧樹脂復合材料的摩擦系數較低，在0.4左右。用ZrO2纖維取代ZrO2粉體后，復合材料的摩擦系數有較大變化。當ZrO2纖維含量較低，為10%和20%時，復合材料的摩擦系數與10FH相當；當ZrO2纖維的含量為30%時，復合材料的摩擦系數在0.55左右。可見隨著ZrO2纖維含量的增加，復合材料摩擦系數有增加的趨勢。當ZrO2纖維的含量為50%時，復合材料的摩擦系數進一步升高，基本穩定在0.80左右。圖1ZrO2粉體及纖維/環氧樹脂復合材料的摩擦系數ZrO2粉體及纖維含量為10%的環氧樹脂復合材料的磨損率如圖2所示。由圖2可知，10FH的磨損率為9.87×10－5mm3/（N•m），低于10ZH的1.52×10－4mm3/（N•m）；當ZrO2纖維的含量升高到20%時，復合材料的磨損率降低至9.72×10－5mm3/（N•m）；ZrO2纖維的含量為30%時，復合材料的磨損率降至最低為，為7.88×10－5mm3/（N•m）；當ZrO2纖維含量進一步升高到50%時，復合材料的磨損率反而增加，達到2.01×10－4mm3/（N•m）。綜合分析，ZrO2纖維/環氧樹脂復合材料的摩擦系數隨ZrO2纖維含量升高而變大，是因為ZrO2纖維的硬度比環氧樹脂的硬度高得多，在摩擦時硬度較低的環氧樹脂會發生塑性變形起到固體潤滑劑的作用。ZrO2纖維/環氧樹脂復合材料的磨損率隨著ZrO2纖維的含量增加先降低再上升，是因為當ZrO2纖維含量較少時，環氧樹脂可以很好地黏結ZrO2纖維，這樣ZrO2纖維就可以起到更好的增韌和減磨作用；而當ZrO2纖維含量較高時，環氧樹脂對ZrO2纖維的黏合力減弱，ZrO2纖維的作用由增韌和減磨轉變為剝落，進而使材料的磨損增大。與ZrO2纖維/環氧樹脂復合材料相比，ZrO2粉體/環氧樹脂復合材料在同樣條件下的摩擦系數和磨損率都較低，是因為ZrO2粉體與ZrO2纖維相比體積更小，剝落現象更弱；另外ZrO2粉體的支撐作用更弱，使得ZrO2粉體/環氧樹脂復合材料更易塑性變形進一步形成光滑的磨損表面；但ZrO2粉體沒有增韌作用，綜合力學性能較差。

2.2施加載荷對復合材料摩擦性能的影響

綜合考慮2.1的測試結果，得出30ZH的摩擦學性能最優，為進一步研究其在不同條件下的摩擦學性能，測試了該材料在不同載荷條件下的摩擦系數和磨損率，如圖3所示。由圖3可知，當施加載荷分別為5和10N時，30ZH的摩擦系數分別為0.52和0.55；當施加載荷增加到20N時，該材料的摩擦系數迅速下降到0.4；當施加載荷進一步增加至50N時，其摩擦系數降至最低，為0.35。在低載荷時，復合材料的磨損率較低——5和10N載荷下30ZH磨損率分別為7.25×10－5和7.88×10－5mm3/（N•m）；隨著施加載荷的增大，復合材料的磨損率迅速升高——20和30N載荷下，復合材料的磨損率分別增至2.73×10－4和1.19×10－3mm3/（N•m）；此后當施加載荷繼續升高時磨損率基本保持不變。隨著施加載荷的增加，復合材料的摩擦系數由高變低是因為載荷增大后環氧樹脂更易發生塑性變形也更容易提供潤滑；磨損率由小變大后逐漸平穩是因為載荷較小時ZrO2纖維剝落較少。

2.3滑動速度對復合材料摩擦性能的影響

不同的滑動速度可能導致不同的摩擦磨損機理，因而滑動速度對材料的摩擦學性能也有很大影響。圖4為30ZH在不同滑動速度下的摩擦系數和磨損率。由圖4可知，隨著轉速的增加，復合材料的摩擦系數逐漸下降，當轉速為500r/min（0.08m/s）時，復合材料的摩擦系數為0.7；轉速為2000r/min（0.33m/s）時，摩擦系數降至最低，為0.22。磨損率的測試結果與摩擦系數相反，當轉速為500r/min時，復合材料的磨損率為8.59×10－5mm3/（N•m）；當轉速為1000r/min（0.17m/s）時，磨損率最低，為7.87×10－5mm3/（N•m）；而隨著轉速的進一步增加，磨損率迅速增加，轉速為到2000r/min時磨損率最高，為2.04×10－4mm3/（N•m）。ZrO2纖維/環氧樹脂復合材料的摩擦系數隨滑動速度升高而降低，磨損率隨滑動速度的升高而升高，是因為摩擦速度越高摩擦越劇烈，摩擦熱也就越大，因而樣品高速摩擦時磨損表面的溫度比低速摩擦時的溫度高很多，材料更容易發生塑性變形，進一步形成光滑的磨損表面，同時ZrO2纖維也更容易從復合材料中剝離，這就造成了更嚴重的磨損。

2.4復合材料的磨損表面分析

圖5給出了ZrO2粉體和纖維/環氧樹脂復合材料的磨損表面。從圖5（a）可以看出，ZrO2粉體/環氧樹脂復合材料的磨損表面局部光滑平整，但也有剝落較為嚴重的地方，這是因為ZrO2粉體的硬度比環氧樹脂的硬度大得多，材料的磨損主要是磨粒磨損，ZrO2粉體富集的地方磨損嚴重，ZrO2粉體較少的地方磨損表面光滑。ZrO2纖維則能夠起到很好的支撐作用，從圖5（b）中可以看出，暴露在表面的ZrO2纖維被磨平；而當ZrO2纖維的含量增加后，復合材料的磨損表面出現了ZrO2纖維剝落的現象，這種剝落隨著ZrO2纖維的含量升高而愈加嚴重（圖5（c）和圖5（d））。

3結論

（1）本文研究了不同ZrO2纖維含量的ZrO2纖維/環氧樹脂復合材料的摩擦學性能，發現ZrO2纖維含量為10%和20%時，復合材料的摩擦系數較低，為0.4；ZrO2纖維含量為30%時，復合材料的磨損率最低，為7.88×10－5mm3/（N•m）。（2）研究了不同載荷和滑動速度條件下ZrO2纖維為30%的ZrO2纖維/環氧樹脂復合材料的摩擦學性能，結果顯示，隨著載荷的增大復合材料的摩擦系數降低而磨損率升高，當載荷為50N時摩擦系數最低，為0.35；當載荷為5N時磨損率最低，為7.25×10－5mm3/（N•m）。轉速為2000r/min時，復合材料的摩擦系數最低，為0.22；轉速為1000r/min時，磨損率最低，為7.87×10－5mm3/（N•m）。（3）復合材料中的ZrO2纖維可有效地起到支撐作用，但是高含量、高載荷和高速時也會導致嚴重的剝落。ZrO2纖維的增韌與剝落和環氧樹脂的塑性變形情況決定了ZrO2纖維/環氧樹脂復合材料的摩擦學性能。

作者：令乾 楊洪芳 曲銘海 張會青 王文康 靳珊珊 單位：德州學院紡織服裝學院