第27卷
2004年
第3期
5月
兵器材料科学与工程
0RDNANCEMATERIALSCIENCEANDENCINEERINC
V01.27No.3
Mav.2004
三维编织碳纤维/环氧复合材料的磨损特性研究睾
王玉果1.王玉林2
(1.天津大学机械学院,天津300072;2天津大学材料学院,天津300072)
摘要:采用RnI工艺制各了三维编织碳纤维增强环氧树脂(记为C,o/EP)复合材料,对其摩擦磨损动力学进行了
研究,讨论了载荷及滑动速度等因素对复合材料摩擦磨损性能的影响及磨损机理。结果
明,复合材料的摩擦因数和
磨损率随着载荷的增加单调降低。滑动速度对复合材料的摩擦因数影响较小.但对磨损率影响较大。滑动速度较高
时,磨损率较低。低速低载时复合材料的磨损机制主要为疲劳和粘着磨损,反之以粘着为主。
关键词:三维编织;碳纤维;复合材料;磨损特性
中围分类号:TB332 文献标识码:A 文章编号:1004—2“x(2004)03—0009—04
三维编织复合材料是近年来发展起来的一种
新型高性能复合材料,它克服了传统层合板板间易
分层的缺点,具有高比强度、高比模量和优良的耐
冲击、耐烧蚀、耐磨等特性,在航空航天、军工领域
乃至机械、化工、交通、医疗等许多工业部门得到广
泛应用“。3】。碳纤维质量轻、强度高、模量高、耐高
温、耐腐蚀,而且摩擦因数小,具有自润滑性,是三
维编织复合材料最常用的增强材料。目前关于长碳
纤维增强聚合物基复合材料的摩擦特性研究较多,
而关于三维编织复合材料摩擦磨损性能的研究报
道较少“。l。笔者采用RTM工艺制备了三维编织碳
纤维增强环氧树脂复合材料,研究了c,o/EP复合
材料的摩擦磨损动力学及载荷、滑动速度等外在因素
对复合材料磨损特性的影响,并探讨了其磨损机理。
1 实验材料和方法
1.1实验材料
基体:E一51(618)环氧树脂+酸酐固化剂。
增强材料:PAN基碳纤维,吉林炭素厂提供
(矿=2800MPa,E=200GPa,p=1.769/cm,d=6~
8¨m)。三维编织体由天津工业大学加工而成。
1.2 复合材料制备
C,n/EP复合材料的制备采用RTM工艺,纤维
体积分数为43%。
1.3摩擦磨损试验
摩擦磨损试验在MM一200型摩擦磨损试验机
上进行,采用环一块接触方式,示意图见图1。试样
为30mm×7mm×6mm。对磨环为45钢,热处
理后硬度40一45HRc,圆环直径为40mm,表面经
精磨而成。磨损试验前用丙酮擦洗试样和对磨环,
选用载荷分别为50N、150N、250N,线速度为
O.42m/s和0.84m/s。试验过程中试样固定不动,
钢环旋转。
加载弹簧
图】MM一200型磨损试验机示意图
摩擦因数通过记录摩擦力矩,由公式弘=r/
(PR)计算而得。其中r为摩擦力矩,P为载荷,R
为对磨环半径。通过测量磨痕宽度并计算得到磨损
率。磨损试样的表面经喷金处理后用xL30EsEM
扫描电子显微镜观察。
2 实验结果及讨论
2.1 C,o/EP复合材料的磨损动力学
图2为c,o/EP复合材料的磨损动力学曲线,试
验条件150N,0.42m/s。由图可以看出,复合材料的磨
合期长达30—40min,之后逐渐进入稳定磨损阶段。
’收稿日期:2003—09一16;修订日期:2004—02—02
资助项目:天津市重大科技攻关项目(013lll711)
作者简介:王玉果(1975一).女,讲师,博士。E—m越l:wy“gu0@sinacom
万方数据
10 兵器材料科学与工程 第27卷
图2C,n/EP复合材料磨损率与时间的关系
图3是该cm/EP复合材料在不同时间的磨痕
和磨屑的表面形貌。在磨损的初始阶段,主要是复
合材料表面的环氧树脂和偶件表面发生摩擦,因环
氧树脂较脆,当偶件表面微凸体压入表面一定深度
时亚表层产生裂纹源,当裂纹扩展到表面时引起基
体材料的断裂,造成基体大块剥落(见图3a、b),此
时复合材料的磨损率较高。随着磨损过程的进行,
更多的碳纤维暴露(见图3c),承担了部分载荷,并
且起到润滑作用,此时的磨屑比较细小(见图3d).
磨损率降低;同时偶件表面也逐渐形成了一层不规
则的碳膜,降低了摩擦副之间的黏着,材料进入稳
定磨损阶段。
2.2 载荷和滑动速度对c,n/EP复合材料摩擦磨
损性能的影响
图4和5分别给出了c,o/EP复合材料在不同
载荷、不同滑动速度下的摩擦因数和磨损率。由二
图可以看出,无论滑动速度是高还是低,在一定范
围内,摩擦因数和磨损率都随载荷的增加而单调减
小,这是因为增大载荷使摩擦副之间的实际接触面
积变大,相应的塑性变形加剧,摩擦造成的磨屑部
分被压回到试样表面中,使摩擦面变得光滑,改善
了摩擦条件”1。此外,载荷的增大使更多的碳纤维暴
露,有利于碳纤维自润滑作用的发挥。
由图4还可知,速度对摩擦因数的影响不太明
显。但由图5可见,滑动速度对磨损率影响很大,尤
其是高载情况下影响更为显著。载荷为250N时,
0.84m/s速度下的磨损率比0.42m/s时降低了
76.6%。这是由于速度较低时,摩擦生热少,试样表
面温度增加不高,环氧树脂处于玻璃态,脆性较大,
所以磨损率较大。而在高速摩擦条件下,摩擦生热
增多,试样表面温度迅速升高,可能超过环氧树脂
的玻璃化温度,而使环氧树脂处于弹性状态,增加
8 10min时磨痕
b一10min时磨屑
r40mtn时磨痕
d 40mln时磨屑
图3 C,。/EP复合材料的磨痕和磨屑表面形貌
了材料的塑性变形能力,并使磨屑细小化,所以磨
损率大幅度减小。
万方数据
第3期 t丘果等:二三维编织碳纤维/环氧复合材料的磨损特性研究
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图4载荷、速崖对摩擦因数的影响
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图5载荷、速度对磨损率的影响
c—150N.042m/s d一250H,O84m/8
圈6 不同载荷或速度下c,u/EP复合材料的磨痕及磨屑形貌
2.3磨损机理
c”/EP复合材料在不同载荷和速度条件下的
磨痕和磨屑的表面显微形貌示于图6。由图6可以
看出,不同条件下的磨损形貌明显1i同。图6a是低
速低载(50N,o.42m/s)条件下的磨痕照片,从中可
以明显看到疲劳裂纹,说明基体大部分因疲劳而破
坏,同时可见黏着痕迹,这一阶段的磨损主要为疲劳
磨损和黏着磨损;随着载荷或速度的增大(图6b、
c),因黏着而被撕开的基体增多,更多的碳纤维暴露
出来;载荷或速度进一步增大,可在磨痕表面看到许
多基体的碎块和碳纤维的碎段(图6d),说明黏着磨
损很严重,以至于将纤维之间或纤维下层的基体撕
裂,碳纤维由于与基体的分离而失去了固着物,从
而断裂脱落下来,表明在高速高载条件下的磨损主
要为黏着磨损。
3 结论
(1)cm/EP复合材料的磨合期较长,约30~40min
后进入稳定磨损阶段。
(2)随着载荷的增加,c,o/EP复合材料的摩擦
因数和磨损率单调降低;滑动速度对摩擦因数的影
响较小,对磨损率影响较大,滑动速度增加,磨损率
降低。
(3)c,o/EP复合材料的磨损机理与磨损条件有
万方数据
12 兵器材料科学与工程 第27卷
关。低速低载时,c,o/EP复合材料的磨损机理以疲
劳和黏着为主;高速高载时,以黏着磨损为主。
参考文献:
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(1 sch00lofMechBnica王En西med“昏Tia嘶inudiversity,Tianjin300072,china;
2,sch0010fMate^aIscience蚰dE“glneed“g,TianjinuIlive璐ity,Ti删in300072,China)
Abstr舵t:Epoxy—b鹪edcompositesrei妇edwilhthree—dimEnsion日lcarbonnbe玛(c,D/EP)weTepreparedby砌M
proces$.Thehiction明dwe盯beh8viorsofC3n/Epcompositeswerestudiedu8i“ga而“g—on—blocktesteLTheeffect80f
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8lidingvelociIyh¨asli曲tinnuenceonthe髓ctio“pe南nIlance,but8greatefI&tonthewearprope“yHi曲erthevelocity,
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Ke,w珊恤:thf钟一dimen自i叩砒hmid;c珊bon矗beHo。mposile;wea‘p‘叩“y
高碳钢丝材料
日本某公司研究了一种高碳钢丝材料,可用于制造轮胎的钢丝和缝线丝。这种材料含有(质量
分数):o.7%~o.95%碳,o.1%~0.5%硅,o.1%~o.6%锰,小于001%磷,小于0.01%硫,小于
o.004%氮,含有下列至少一种材料(o.01%一o.08%铜,o.01%一o.08%镍,o.01%~0.10%铬,
O.01%。O.05%钼),含有平衡相铁和不可避免的杂质。这种材料有很高的强度和很高的屈服点。
高康译于 JP2000144323一A
万方数据
三维编织碳纤维/环氧复合材料的磨损特性研究
作者: 王玉果, 王玉林
作者单位: 王玉果(天津大学,机械学院,天津,300072), 王玉林(天津大学,材料学院,天津,300072)
刊名: 兵器材料科学与工程
英文刊名: ORDNANCE MATERIAL SCIENCE AND ENGINEERING
年,卷(期): 2004,27(3)
引用次数: 0次
参考文献(6条)
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相似文献(10条)
1.期刊论文 高朋召.王红洁.金志浩.Gao Pengzhao.Wang Hongjie.Jin Zhihao 原位反应法制备的碳化硅涂层/三维
编织碳纤维的氧化性能研究 -稀有金属材料与工程2006,35(4)
采用原位反应法在三维编织碳纤维(原纤维)表面制得β-SiC涂层,通过XRD,SEM,等温氧化失重和非等温热重
等测试手段研究了制备方法对涂层性
能的影响.结果表明:利用此法可得到均匀、完整,界面结合良好的涂层,涂层厚度增加,涂层/三维编织碳纤维(复合纤维)抗氧化性能增强.并对复合纤维氧
化反应的机理进行了研究.
2.期刊论文 高朋召.王红洁.金志浩 SiO2,SiC涂层/三维编织碳纤维的制备及其氧化性能 -稀有金属材料与工程
2004,33(10)
采用溶胶-浸渍法,成功地在三维编织碳纤维的纤维表面涂覆SiO2,并通过碳热还原反应制得厚度约为0.55μm的SiC涂层.研究了涂层/编织碳纤维(复
合纤维)氧化反应的动力学和反应机理.结果表明:涂层能明显提高编织碳纤维的抗氧化性能;复合纤维的氧化反应过程可以分为2个阶段:第1阶段为反应控
制;第2阶段为扩散和反应共同控制.
3.学位论文 何芳 三维编织超高分子量聚乙烯纤维/碳纤维混杂复合材料性能研究 2006
三维编织复合材料具有很高的弯曲强度和冲击韧性、极高的疲劳强度和抗损伤性能及优异的可
性和成型加工性,极适于制备骨科内固定装置,是
一种很有发展潜力的新型生物材料.超高分子量聚乙烯纤维作为新型的高性能有机纤维的代表,良好的生物相容性和优异的化学稳定性使其在生物复合材
料领域崭露头角.因此制备三维编织超高分子量聚乙烯纤维复合材料,并将其应用于骨科内固定生物医用领域具有重要的理论与现实意义. 本文采用
树脂传递模塑(RTM)成型工艺制备了三维编织超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维增强环氧树脂(ER)复合材料(UH<,3D>/ER)及三维编织UH/CF/ER混杂复合材料
,并系统地研究其力学性能、吸湿行为、摩擦磨损性能以及低周疲劳性能,同时对混杂效应系数、吸湿行为以及摩擦系数进行了预测. 研究结果表明
,在纤维总体积含量一定的情况下,随着碳纤维(F)含量的提高,三维编织UH/CF/ER混杂复合材料的弯曲及纵向压缩性能提高,而纵向剪切强度及冲击性能降
低,且弯曲强度表现出负的混杂效应,横向剪切强度及冲击性能表现正的混杂效应,而弯曲模量、纵向剪切强度及纵向压缩强度与混合定律符合较好;三维
编织UH/CF/ER.混杂复合材料的破坏机理与UHMWPE纤维和CF自身性能及二者的混杂比密切相关;三维编织UH/CF/ER混杂复合材料的混杂效应系数与纤维分
散度、纤维分布方式及相对含量、加载方式等因素有关.由本文建立的混杂效应系数估算方法获得的混杂复合材料的横、纵剪切强度与试验值符合较好.
在75﹪相对湿度下,CF几乎不吸湿,UHMWPE纤维的平衡吸湿率仅为0.35﹪,而芳纶纤维(KF)的吸湿率已超过5﹪,并有继续增大的趋势;与纯环氧树脂相
比,UH<,3D>/ER和UH<,L>/ER复合材料在37℃蒸馏水中的吸湿速率及吸湿率较高.纤维表面处理可有效降低UH<,3D>/ER复合材料的吸湿速率及吸湿率.
三维编织UH/CF/ER混杂复合材料在37℃蒸馏水中的吸湿动力学曲线介于UH<,3D>/ER和CF<,3D>)/ER复合材料之间.UH<,3D>/ER、CF<,3D>/ER复合材料及三
维编织UH/CF/ER混杂复合材料的吸湿动力学曲线表现出相似的双阶段特征,即第一阶段为典型的Fick扩散,第二阶段的吸湿率与时间的平方根依然呈线性
关系,但不可用Fick定律加以描述;采用双阶段数学模型对UH<,3D>/ER及三维编织UH/CF/ER.混杂复合材料的吸湿行为进行预测,发现与试验数据符合较好
;在0.42 m/s和100 N条件下,随着纤维体积含量的增加,UH<,3D>/ER复合材料的摩擦系数及比磨损率降低.UH<,3D>/ER复合材料主要发生粘着磨损,并伴有
一定的磨粒磨损;在0.42 m/s和100 N条件下,CF<,3D>/ER、KF<,3D>/ER及UH<,3D>/ER复合材料的摩擦系数依次降低,CF<,3D>/ER复合材料的比磨损率最低
,KF<,3D>/ER及UH<,3D>/ER复合材料的比磨损率略高,且二者相差不大.KF<,3D>/ER及UH<,3D>/ER复合材料主要发生粘着磨损,并伴有一定的磨粒磨损,而
CF<,3D>/ER复合材料则以磨粒磨损为主;在总纤维体积含量一定的情况下,碳纤维的含量增加,三维编织UH/CF/ER混杂复合材料的摩擦系数增大,而比磨损
率降低.三维编织UH/CF/ER混杂复合材料的磨损机理与UHMWPE纤维及CF的体积比密切相关,当CF含量较高时以磨粒磨损为主,而当UHMWPE纤维含量较高时
,则以粘着磨损为主;采用混合载荷分布模式对UH<,3D>/ER复合材料的摩擦系数进行预测发现,摩擦系数计算值与试验值符合较好,而该模式并不适用于三
维编织UH/CF/ER混杂复合材料. 在相同试验条件下,CF<,3D>/ER复合材料疲劳性能优于UH<,3D>/ER和KF<,3D>/ER复合材料.相同体积含量的
UH<,3D>/ER和UH<,L>/ER复合材料的剩余弯曲强度比相差不大,而UH<,I>/ER复合材料的剩余弯曲模量比明显高于UH<,3D>/ER复合材料;三维编织复合材料
的疲劳损伤主要有以下几种形式:(a)纤维束/基体界面裂纹扩展;(b)纤维/基体界面脱粘;(c)基体断裂;(d)纤维断裂等.其中纤维束/基体界面的裂纹扩
展是三维编织复合材料弯曲疲劳损伤的主要形式之一,这也是与单向纤维复合材料较为明显的区别;吸湿使UH<,3D>/ER复合材料的疲劳性能下降
:UH<,3D>/ER复合材料在0.4倍静强度(σ<,o>)弯曲载荷下的疲劳寿命为5×106次,在0.50.弯曲载荷下的弯曲疲劳寿命为8×10<'4>次. 本文采用
RTM工艺制备了UH<,3D>/ER及三维编织UH/CF/ER混杂复合材料. 系统地阐述了复合材料在弯曲、剪切及冲击载荷下的破坏机制,验证并修正了长期处
于湿热环境中的复合材料吸湿的双阶段模型,研究了UH<,3D>/ER及三维编织UH/CF/ER混杂复合材料磨损机理和弯曲疲劳损伤机理,并成功预测了
UH<,3D>/ER复合材料的摩擦系数及疲劳寿命.这无疑对缩短三维编织及混杂复合材料研究周期、降低成本具有重要意义.
4.会
王玉果.王玉林.万怡灶.赵强.李宝银.韩雅静 三维编织碳纤维/环氧复合材料的制备与性能研究 2000
采用真空浸渍工艺,成功地制备了三维编织碳纤维/环氧复合材料,并用金相显微镜对微观结构进行了观察,发现基体与纤维间浸润良好.力学试验表明
,该材料具有良好的力学性能,是一种极有发展潜力的复合材料.
5.期刊论文 何芳.王玉林.万怡灶.黄远.HE Fang.WANG Yulin.WAN Yizao.HUANG Yuan 三维编织超高分子量聚乙烯
纤维-碳纤维混杂增强环氧树脂复合材料摩擦磨损性能 -复合材料学报2009,26(1)
以超高分子量聚乙烯纤维(UHMWPE)-碳纤维(CF)三维混杂编织体为增强体,环氧树脂(ER)为基体,通过树脂传递模塑(RTM)工艺制备了三维编织混杂复
合材料,研究了其摩擦磨损性能,并采用混合正压力模型对摩擦系数进行了预测.结果表明,在纤维总体积含量一定的情况下,随着CF体积含量的增加,复合
材料的摩擦系数增大,而其比磨损率降低.UH3D/ER复合材料的磨损机制以粘着磨损为主,CF3D/ER复合材料则以磨粒磨损为主,混杂复合材料的磨损机制主
要取决于CF与UHMWPE纤维的相对含量,通过调节UHMWPE纤维和CF的体积比例可实现对复合材料摩擦磨损性能的有效调控.采用的计算模型可较好地预测
UH3D/ER的摩擦系数.
6.期刊论文 王玉林.万怡灶.陈桂才.周福刚.成国祥 三维编织碳纤维/环氧复合材料的吸湿特性及外应力的影响 -
复合材料学报2002,19(6)
采用真空浸渍法制备了三维编织碳纤维增强环氧树脂(C3D/ER)复合材料,研究了该复合材料的吸湿特性及外应力的影响.讨论了应力对C3D/ER复合材
料吸湿行为的作用机理.结果表明,与环氧树脂不同,C3D/ER复合材料的吸湿行为不能用Fick第二定律描述.外应力可加速吸湿初期复合材料的吸水和力学
性能的下降,但可降低复合材料平衡吸湿量和最终力学性能的下降幅度.分析表明,吸湿过程中C3D/ER复合材料力学性能的高低取决于其吸湿量的大小.
7.会议论文 王兴业.肖加余 碳纤维三维编织陶瓷基复合材料的材料设计与成型工艺研究 1996
用不等比碳纤维三维编织体作为增强相、用PCS高温裂解转化成SiC为基体的陶 瓷基复合材料其抗变强度已达400MPa,断裂韧性为
12.7MPam<’1/2>,该文论述了这一材料的材料设计与成型工艺。
8.学位论文 陈贵才 三维编织碳纤维增强环氧树脂复合材料的制备及体外吸湿行为的研究 2001
该文首次提出以三维编织碳纤维和医用环氧树脂制备骨折内固定材料,对制备工艺进行了探讨,研究了复合材料的吸湿行为,为该材料用于骨修复领域
提供了理论依据.分别采用真空浸渍和树脂传递模塑(RTM)工艺制备了三维编织碳纤维/环氧树脂(C<,3D>/EP)复合材料,测量了材料的孔隙率,通过金
相显微观察,分析了树脂的浸渍情况.结果表明,RTM工艺优于真空浸渍工艺.
9.会议论文 何芳.王玉林.万怡灶.黄远 三维编织UHMPEF/ER复合材料及其CF混杂三维编织复合材料力学性能研究
2005
制备了三维编织超高分子量聚乙烯纤维/环氧复合材料(UHMPEF3D/ER)及碳纤维/超高分子量聚乙烯纤维/环氧复合材料(UHMPEF/CF3D/ER),并对其力学
性能进行了研究.结果表明,随着纤维体积含量的提高,UHMPEF3D/ER复合材料的弯曲及剪切强度先增大后减小,当纤维含量为36﹪时力学性能最优.对于三
维混杂复合材料,其弯曲模量及剪切性能与混合定律符合较好,同时随着混杂复合材料中CF与UHMPEF体积比的降低,复合材料的弯曲强度及模量下降,横向
剪切及冲击性能提高.三维混杂编织复合材料能够克服层板混杂复合材料易分层的缺点.CF的加入可有效改善UHMPEF复合材料强度低、刚度小的缺点,同时
UHMPEF又会使CF复合材料的脆性降低,弯曲变形能力提高,充分体现混杂的优势.
10.期刊论文 雷雨.万怡灶.张宗强.周福刚.王玉林 纤维表面处理对三维编织碳纤维增强尼龙性能的影响 -工程塑
料应用2003,31(9)
分别考察了几种纤维表面处理方法对碳纤维表面和复合材料性能的影响.结果表明,纤维表面处理使碳纤维的表面更粗糙;经过处理后的碳纤维表面含
氧量明显提高,改善了碳纤维与基体的浸润性;空气氧化处理方法的综合效果比较理想;γ射线辐照处理除冲击强度稍低于空气氧化处理外,其弯曲强度、
弯曲弹性模量尤其是剪切强度均高于空气氧化法;空气氧化与偶联剂复合处理的复合材料剪切强度最高.
本文链接:http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_bqclkxygc200403003.aspx
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