黃明輝，高誠(chéng)輝，何福善，林有希

(福州大學(xué) 機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院，福建 福州 350108)

0 引言

樹脂基復(fù)合材料因其良好的化學(xué)穩(wěn)定性、耐疲勞性、耐腐蝕性和粘接性，以及較高的機(jī)械強(qiáng)度[1]，而被航空和機(jī)械領(lǐng)域所應(yīng)用。但單純的樹脂基復(fù)合材料熱衰退嚴(yán)重、摩擦系數(shù)不穩(wěn)定、耐磨性差。因此其應(yīng)用范圍受到了很大的限制。通過對(duì)樹脂的改性或者加入不同的填料可顯著改善其摩擦學(xué)性能及工程應(yīng)用上的特性[2]。煉鋼廠排出的礦渣是一種無規(guī)則網(wǎng)絡(luò)玻璃體結(jié)構(gòu)[3]，其主要成份是CaO，SiO2，Al2O3等，這些成份具有作為摩擦材料組分的潛質(zhì)[4]。選用礦渣作為填料，不僅降低大部分成本，也可以實(shí)現(xiàn)礦渣的資源化和高附加值化，具有很大的實(shí)際意義。目前，礦渣只用于建筑方面[5]，用于樹脂基復(fù)合材料的研究還很少。課題組主要研究在于開發(fā)綠色制動(dòng)器，在前期對(duì)鎂鹽晶須[6]和竹纖維[7]作為增強(qiáng)纖維以及粉煤灰[8]作為填料的研究基礎(chǔ)上，以樹脂為基體，以竹纖維和鎂鹽晶須等為增強(qiáng)纖維，采用不同粒度和不同摻量的礦渣微粉進(jìn)行填充，用熱壓成型的方法配制試樣，對(duì)復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度、硬度及摩擦學(xué)性能進(jìn)行測(cè)試，并通過磨損表面形貌觀察分析礦渣微粉填充對(duì)摩擦磨損性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)用礦渣微粉來自山西長(zhǎng)治鋼鐵公司，經(jīng)過干燥并篩選，獲得140目和200目?jī)煞N不同粒徑的礦渣。礦渣的熔點(diǎn)為1450～1550℃，機(jī)械強(qiáng)度高，其微晶抗彎強(qiáng)度為50～300MPa，硬度高、耐磨性能好。主要成分CaO，SiO2,Al2O3等，這些主要成份可以改善樹脂基復(fù)合材料的摩擦磨損性。其他配方原料為腰果殼油改性酚醛樹脂、鎂鹽晶須、無水硫酸鈣晶須、竹纖維、銅粉等，其含量見表1。礦渣微粉摻量(質(zhì)量百分比)分別為0%、10%、20%、30%、40%。將處理后的原料按上述質(zhì)量分?jǐn)?shù)配成約45g的粉料，裝入JF801S型高速犁耙式混料機(jī)中充分?jǐn)嚢?～6min，最終得到絮狀的混合物。將原料裝入模具中進(jìn)行熱壓成型，成型壓力12～14MPa，成型溫度160℃～180℃，保壓時(shí)間4～6min，排氣5～8次。隨后在180℃下進(jìn)行熱處理，并加工成標(biāo)準(zhǔn)試樣。

表1 試驗(yàn)中復(fù)合材料所用原料配比

用XHRD-150型電動(dòng)塑料洛氏硬度計(jì)測(cè)定試樣的硬度；用XJJ-5型簡(jiǎn)支梁式擺錘沖擊試驗(yàn)機(jī)測(cè)定試樣的沖擊強(qiáng)度，試樣尺寸為55mm×10mm×6mm，沖擊能量為0.98J，沖擊速度為2.9m/s；采用JF150D-II型定速摩擦試驗(yàn)機(jī)對(duì)試樣的摩擦學(xué)性能進(jìn)行測(cè)試，樣品尺寸為25mm×25mm×(5～7)mm，試樣壓力為0.98MPa，摩擦轉(zhuǎn)盤為HT250珠光體鑄鐵，轉(zhuǎn)速480r/min，盤溫分別為100℃,150℃,200℃,250℃,300℃,350℃。厚度采用千分尺測(cè)量，將所測(cè)厚度輸入計(jì)算機(jī)，自動(dòng)算出磨損率，摩擦系數(shù)則由計(jì)算機(jī)自動(dòng)記錄。每組樣品均重復(fù)4次取均值，磨損后磨痕在XL30ESEM型電子掃描電鏡下觀察其顯微結(jié)構(gòu)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 力學(xué)性能

140目和200目礦渣微粉不同摻量對(duì)復(fù)合材料的力學(xué)性能影響如圖1所示。從圖1(a)中可以看出在復(fù)合材料中加入礦渣微粉作為無機(jī)填料，可以增加試樣的硬度，硬度基本上隨摻量的增加而增加，在40%時(shí)達(dá)到最大值，140目和200目硬度分別為111.9 HRM和111.1HRM，較0%的分別高出5.9%和5.2%。從圖1(b)中可以看到試樣的沖擊強(qiáng)度基本隨著摻量的增加而下降，只有摻量為10%的試樣出現(xiàn)了大的波動(dòng)。試樣的最小沖擊強(qiáng)度出現(xiàn)在40%時(shí)的3.2 kJ/m2和3.5kJ/m2。較0%的分別降低了37.5%和25.7%。

圖1 不同摻量140目和200目對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響

出現(xiàn)上述的現(xiàn)象可能是因?yàn)榈V渣微粉主要成分是CaO，SiO2，Al2O3，莫氏硬度等級(jí)達(dá)到了6～7級(jí)，屬于高硬度高模量填料。熱壓成型過程中，在高壓和高溫下能夠保持結(jié)構(gòu)的完整性，提高試樣的硬度；礦渣微粉形狀不規(guī)則，而且200目的礦渣微粉其粒徑較小，這樣有利于與樹脂形成密實(shí)結(jié)構(gòu)從而提高了試樣的硬度。試樣沖擊強(qiáng)度的下降主要是因?yàn)榈V渣微粉是無機(jī)非晶相玻璃體而樹脂為連續(xù)相的高分子化合物，隨著摻量的增加降低了樹脂基體及結(jié)合面吸收沖擊能量的能力，使試樣的沖擊強(qiáng)度降低了。通過上述力學(xué)性能的分析可見，雖然對(duì)力學(xué)性能有所影響但都達(dá)到國(guó)標(biāo)的要求，沖擊強(qiáng)度不小于3kJ/m2。

2.2 摩擦磨損性能分析

圖2所示為不同摻量下200目和140目試樣的摩擦系數(shù)隨溫度變化的曲線圖。

圖2 不同摻量140目和200目試樣在不同溫度下的摩擦系數(shù)變化圖

從圖2(a)中可以看出，加入礦渣微粉試樣的摩擦系數(shù)整體比未摻的高，并隨著摻量的增加摩擦系數(shù)隨之有所增加。溫度在100℃～200℃時(shí)除了摻量為10%的試樣外，其余試樣摩擦系數(shù)都隨著溫度的升高而增加，摻量為0%的試樣在200℃達(dá)到最大0.25。而在250℃～350℃時(shí)不摻或少摻礦渣微粉試樣均出現(xiàn)了熱衰退現(xiàn)象，350℃時(shí)0%的試樣摩擦系數(shù)達(dá)到最小的0.08。而摻量多的，如30%和40%的試樣衰退現(xiàn)象不明顯，甚至摩擦系數(shù)會(huì)隨著溫度的升高而有所提高，其中摻量為30%的試樣摩擦最為穩(wěn)定，200目的試樣變化范圍是0.30～0.36。試樣避免出現(xiàn)熱衰退的主要原因可能是由于礦渣微粉是在1000℃以上的高溫下產(chǎn)生的，其組成主要為陶瓷粉末，具有很好的耐熱性，與其他填料相比，更能增加摩擦材料的熱穩(wěn)定性；礦渣微粉的比熱達(dá)到0.84×103J/(kg ℃)，使試樣更能存儲(chǔ)摩擦余熱。所以增加礦渣微粉的摻量可以有效的規(guī)避熱衰退的產(chǎn)生。對(duì)比圖2(a)與圖2(b)可以發(fā)現(xiàn)不同粒徑大小對(duì)摩擦系數(shù)的影響也不相同。140目試樣的摩擦穩(wěn)定性不如200目試樣。例如摻量為30%的試樣，140目試樣的摩擦系數(shù)變化范圍是0.27～0.37，200目試樣的變化范圍則為0.30～0.36。產(chǎn)生這種情況可能是因?yàn)樵诟邷叵?00目試樣的顆粒嵌在摩擦材料中的分散程度比140目的大，且分布更均勻，對(duì)樹脂熱分解的減緩作用更顯著。140目微粉顆粒填充增強(qiáng)效果不如200目的試樣，因而有少許的熱衰退。

圖3 不同摻量140目和200目試樣磨損率

圖3是140目和200目微粉顆粒試樣在不同摻量下磨損率隨溫度變化的曲線圖。從圖3可以看出，低于250 ℃，所有試樣磨損率隨溫度增加略微增加，溫度高于250 ℃后隨著溫度的升高磨損率急劇增加。200目40%摻樣在350 ℃的磨損率最高，達(dá)到了1.89×10-7cm3/(N·m)；從摻量看，增加礦渣微粉后磨損率均有明顯降低；可以看出，礦渣微粉摻量在20%與30%的試樣，不管低溫還是較高溫度下的耐磨性均較好，而當(dāng)摻量達(dá)到40%時(shí)磨損率突然增大，但還小于未摻量。磨損率隨溫度變化的原因是高溫時(shí)樹脂出現(xiàn)軟化，蒸發(fā)速度加快以及熱分解，因此降低了對(duì)增強(qiáng)體和填料起包裹作用，使纖維和其他顆粒剝落程度加劇，從而導(dǎo)致了高溫時(shí)磨損率變大。不同摻量磨損率變化原因是隨著礦渣粉摻量的增加，樹脂摻量相應(yīng)的減少，10%～30%試樣中樹脂可以有效的將其他成分粘接為一個(gè)整體，從而顯示出較低的磨損率；摻量大至40%時(shí)，試樣由于樹脂摻量相對(duì)少，樹脂對(duì)增強(qiáng)體和填料的粘結(jié)作用下降，使得其他成分不能很好的粘接成一體的材料，從而在摩擦過程中更容易剝落增加磨損率。比較圖3(a)和3(b)可以看出，200目試樣的磨損率略大，這可能是由于140目試樣的顆粒大，分散性比200目試樣的小，樹脂的包裹性相對(duì)較好，因此剝落的程度相比較輕，其磨損率整體低于200目的。

綜上，摻入礦渣微粉后，礦渣微粉復(fù)合材料的摩擦磨損性能得到明顯改善。隨著礦渣微粉摻量的增加，材料的摩擦系數(shù)有所增加、穩(wěn)定性更優(yōu)越，磨損率得到一定改善。尤其是當(dāng)200目礦渣微粉的摻量在30%的時(shí)候，復(fù)合材料整體摩擦磨損性能較佳，其摩擦系數(shù)穩(wěn)定在0.34上下，磨損率也保持較低水平。

2.3 不同摻量礦渣微粉樹脂基復(fù)合材料磨損表面的顯微形貌分析

圖4為未摻量和摻量礦渣微粉為30%試樣在350℃時(shí)摩擦磨損后的表面形貌照片。

圖4 未摻量和摻量為30%試樣磨損表面的SEM照片

從圖4可以發(fā)現(xiàn)，未摻量試樣其磨損表面呈現(xiàn)較為明顯的粘著痕跡，試樣的磨損形式主要是粘著磨損。摻量為30%的試樣的磨損表面則有明顯的磨痕并伴有坑洼。此時(shí)的磨損主要是以輕微的磨粒磨損及粘著磨損為主。對(duì)比兩種摻量試樣可以發(fā)現(xiàn)磨損形式由較為嚴(yán)重的粘著磨損轉(zhuǎn)變?yōu)檩p微的磨粒磨損及粘著磨損，因此未摻量試樣的磨損量高于30%試樣，這和實(shí)驗(yàn)所得到的結(jié)論相符合。對(duì)比140目和200目試樣的表面不難發(fā)現(xiàn)，140目的表面出現(xiàn)的坑洼比較嚴(yán)重而200目的表面比較平整， 140目試樣的磨粒磨損也較為明顯。這主要是因?yàn)?00目試樣由于分散性好且顆粒直徑較小磨損時(shí)剝離留下的凹坑較小且較為密集因而容易被磨合為平整表面，140目顆粒直徑較大剝落后容易形成磨損顆粒所以磨痕較為明顯。

3 結(jié)論

1) 在復(fù)合材料中加入礦渣微粉作為無機(jī)填料，摩擦系數(shù)高于未摻樣且更穩(wěn)定，試樣摩擦系數(shù)隨摻量增加而增大，140目摻量為40%的試樣摩擦系數(shù)達(dá)到最大0.44。

2) 增加礦渣微粉后復(fù)合材料的磨損率均有明顯降低，礦渣微粉摻量在20%～30%的試樣，不管是低溫還是較高溫度下的耐磨性均較好。綜合分析200目摻量為30%的試樣具有較好的綜合性能。

3) 在復(fù)合材料中加入礦渣微粉作為填料，試樣硬度提高，除個(gè)別試樣，硬度隨摻量的增加而增加，摻量為40%時(shí)140目和200目試樣硬度最高，分別達(dá)111.9 HRM和111.1 HRM，沖擊強(qiáng)度略有下降。

4) 通過對(duì)高溫磨損后的復(fù)合材料表面進(jìn)行形貌觀察發(fā)現(xiàn)，礦渣微粉的摻量不同，試樣的磨損方式也不同。未摻樣以粘著磨損為主， 30%的摻樣以劃痕磨損和輕微粘著磨損為主。

致謝

本課題研究獲國(guó)家自然科學(xué)基金(51075074)和教育部博士點(diǎn)基金(51175085)資助，在此衷心感謝！。

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