湯玉超，王棒棒，馬 麗，朱民豪，馬 超，胡恩柱，朱仁發(fā)，胡坤宏

（1.合肥學(xué)院生物與環(huán)境工程系，安徽 合肥 230601；2.合肥工業(yè)大學(xué)機械學(xué)院，安徽 合肥 230009）

我國作為農(nóng)業(yè)大國，糧食產(chǎn)量大，農(nóng)業(yè)廢棄物豐富。水稻是我國糧食的主要品種，根據(jù)國家統(tǒng)計局2016年公布，水稻產(chǎn)量約占糧食總產(chǎn)量的36.6%，高達20693.4萬噸。稻殼質(zhì)量約為水稻的20%，計算得出產(chǎn)生稻殼約4138.68萬噸。稻殼表面堅硬，硅含量高[1]，牲畜很難消化，農(nóng)民一般不作為食料，主要作為燃料使用，但其直接燃燒會產(chǎn)生大量煙霧，嚴(yán)重污染空氣，對交通和人們的呼吸道等都產(chǎn)生嚴(yán)重危害。稻殼不宜堆放，運輸成本高[2]，對其進行及時有效處理，最大資源化利用是非常具有研究意義的課題。

機械運動工程所引起的高溫是致使材料磨損失效的關(guān)鍵因素之一，因此對耐高溫復(fù)合材料的開發(fā)提出了更高的要求。其中，在傳統(tǒng)的復(fù)合材料加工過程中，引入耐高溫材料是開發(fā)高性能復(fù)合材料的途徑之一。由稻殼粉制備的CS顆粒具有耐高溫的特性，表面鍍覆一層銅顆粒，可進一步提升其摩擦學(xué)特性。摩擦材料的開發(fā)從早期的金屬和非金屬發(fā)展到現(xiàn)在的合金以及碳元素與金屬結(jié)合的復(fù)合材料，例如二氧化硅和銅的結(jié)合，有助于材料的抗磨耐磨性[3]。盧宏等[4]研究了不同粒度的二氧化硅和銅基的組合，通過摩擦因數(shù)和耐磨性的提高，來改善摩擦材料的摩擦磨損性能。二氧化硅和銅的結(jié)合對摩擦材料的耐磨抗磨有顯著的增強作用。金屬作為添加劑開發(fā)耐高溫復(fù)合顆粒有多人開展了研究：沈洪娟等[5]研究了在銅基粉末冶金材料中添加鐵顆粒，從而提高了復(fù)合材料的耐高溫特性。高溫下流體潤滑作用對于金屬復(fù)合材料表面的影響起到重要作用；還有肖漢寧等[6]研究高溫下SiC溫度、氣氛和摩擦參數(shù)對SiC復(fù)合材料的摩擦磨損機理的影響，從而改善摩擦材料的耐磨性等性能。然而，對于稻殼碳/二氧化硅復(fù)合顆粒及其表面鍍銅改性的研究較少。表面鍍銅工藝成熟，有大量的文獻報道，提高材料耐磨性的主要途徑可進行表面強化[7-12]。合理地選用耐腐蝕材料，在材料表面涂覆防護層[13-14]，采用電化學(xué)保護可以提高材料的抗腐蝕能力。將改性的CS顆粒添加到鐵基復(fù)合材料中，研究其高溫摩擦學(xué)性能的研究較少，因此，本文研究的課題不僅可實現(xiàn)稻殼資源化利用，而且為開發(fā)耐高溫軸承材料奠定了一定的理論基礎(chǔ)。

1 實驗部分

1.1 實驗材料及儀器

稻殼粉（rice husk，RH，10目，原陽縣宴賓米業(yè)有限公司）；熱固性酚醛樹脂（phenolic resin，PR，型號 2027，無錫市明洋粘結(jié)材料有限公司）；碳/二氧化硅復(fù)合顆粒制備過程：將稻殼粉和酚醛樹脂按照質(zhì)量比3∶1進行混合，轉(zhuǎn)移一定量的混合物于坩堝中，在800℃下煅燒2h后冷卻研磨成細(xì)粉，即為碳/二氧化硅復(fù)合顆粒（CS）；采用化學(xué)鍍法實現(xiàn)顆粒表面鍍銅CS，詳細(xì)的過程見參考文獻[15]；鐵粉（300目，合肥金品化學(xué)科技有限公司）。

BSA124S型電子分析天平（賽多利科學(xué)儀器有限公司）；OTF-1200X型管式電爐（合肥科晶材料技術(shù)有限公司）；YLJ-60T型電動壓片機（合肥科晶材料技術(shù)有限公司）；GHT-1000型高溫真空摩擦磨損儀器（蘭州中科凱華科技開發(fā)有限公司）；HR TEM高倍透射電鏡（日本日立）。

1.2 鐵基復(fù)合材料的制備

以Cu-CS（圖1）顆粒為添加劑，7wt%的酚醛樹脂為粘結(jié)劑，探究添加量0wt%、1wt%、3wt%、5wt%、7wt%和10wt%的Cu-CS顆粒于一定量的鐵粉中，之后取一定量的已經(jīng)混合均勻的混合物于磨具中，在壓力30MPa壓制成型，再移入管式爐中氮氣保護，高溫煅燒2h，獲得鐵基復(fù)合材料成品，見圖1。

圖1 Cu-CS和Cu-CS樣品的制備Fig.1 Cu-CS and Preparation of Cu-CS samples

圖2 高溫真空摩擦磨損儀器工作原理圖Fig.2 High temperature and high vacuum friction and wear tribometer

1.3 高溫真空摩擦實驗

在高溫真空摩擦試驗機上研究不同添加量的CS顆粒對鐵基復(fù)合材料的摩擦學(xué)特性。實驗條件為真空下高溫800℃，載荷為500N，轉(zhuǎn)速為450r/min，摩擦試驗時間為30min。實驗前，對材料表面進行拋光處理，磨件為陶瓷球（Si3N4），直徑為5mm。陶瓷球需超聲15min，下試樣用無水乙醇擦拭干凈。試驗機摩擦副結(jié)構(gòu)及其工作原理見圖2。

2 結(jié)果與討論

2.1 復(fù)合材料的減摩和抗磨特性

圖3為添加不同量Cu-CS顆粒的鐵基復(fù)合材料的摩擦系數(shù)和磨損率的變化。其中圖3（a）表明，在鐵基復(fù)合材料中加入鍍銅的碳/二氧化硅復(fù)合材料后摩擦系數(shù)明顯降低，且當(dāng)添加量為3wt%和5wt%時，摩擦系數(shù)最低，說明鍍銅碳/二氧化硅復(fù)合材料可明顯提高鐵基復(fù)合材料的減摩性。圖3（b）表明，添加鍍銅的碳/二氧化硅復(fù)合顆粒，材料的抗磨性能得到改善，當(dāng)添加量為5wt%和7wt%時，材料的抗磨特性明顯改善?？傊冦~碳/二氧化硅復(fù)合顆?？擅黠@提高鐵基復(fù)合材料的減摩和耐磨特性，且最佳添加量為5wt%的鍍銅復(fù)合顆粒。

2.2 磨損表面形貌分析

圖4中Cu-CS顆粒的鐵基復(fù)合材料中不同Cu-CS添加量的磨痕區(qū)域，隨著鍍銅復(fù)合顆粒含量的增加，磨痕明顯變化，1wt%和5wt%的磨痕比較小。從圖5不同添加量的磨損面積可以發(fā)現(xiàn)，鍍銅復(fù)合顆粒，添加量為7wt%，磨損面積最大為634205μm2；當(dāng)添加量為1wt%和5 wt%時磨損面積較小。這是由于隨著鍍銅顆粒添加量的增加，陶瓷球與Cu-CS顆粒的鐵基復(fù)合材料中銅顆粒接觸到的可能性越大，其鍍銅復(fù)合顆粒的減摩效果越好。

圖3 高溫真空條件下的摩擦系數(shù)和磨損量Fig.3 Friction coefficient and wear rate in high temperature vacuum

圖4 鐵基復(fù)合材料中不同Cu-CS添加量的磨痕表面形貌Fig.4 Wear surface morphology of iron-based composites in different Cu-CS additions

摩擦形式由滑動摩擦轉(zhuǎn)換為滾滑摩擦。在EDS中對于圖6中的5wt%Cu-CS鐵基磨痕區(qū)域和未磨區(qū)域進行面掃，發(fā)現(xiàn)磨痕區(qū)域銅的質(zhì)量含量增加了0.4%，這是由于摩擦過程中胚體表面經(jīng)過滾滑摩擦，將胚體內(nèi)CS復(fù)合顆粒表面的銅顆粒顯露出來，隨著碳/二氧化硅質(zhì)量含量的增加，磨損面積逐漸減少。在圖4中磨痕區(qū)域3wt%的3182μm減小到5wt%的1827μm，在圖5中的磨痕面積也由3wt%的261098μm2減少到5wt%的87607μm2，Cu-CS復(fù)合顆粒起到減摩作用，耐磨性得到提高。

總的來說，從稻殼資源化利用角度考慮，鐵基復(fù)合材料中添加鍍銅碳/二氧化硅復(fù)合材料的最佳含量為5wt%。

圖5 鐵基復(fù)合材料中不同Cu-CS添加量的磨痕面積Fig.5 Wear trace area of Cu-CS addition in iron-based composites

圖6 高溫真空下5w t%復(fù)合材料的SEM圖Fig.6 SEM image of 5w t%composite under high temperature and high vacuum

根據(jù)早期試驗探索得出：鍍銅碳/二氧化硅復(fù)合材料顆粒主要成分是無定形碳和二氧化硅顆粒。在碳/二氧化硅復(fù)合材料表面鍍銅，也促進了復(fù)合顆粒在高溫真空下球盤摩擦過程中磨屑的剝落，且磨屑比較大。由于高溫材料表面軟化，上試樣陶瓷球無磨斑形成，球盤以滾動接觸摩擦的形式進行摩擦。在圖6（a）中可以發(fā)現(xiàn)，磨痕比較光滑。摩擦機理主要以黏著磨損的形式存在。

3 結(jié)論

（1）鍍銅碳/二氧化硅顆?？商岣哞F基復(fù)合材料的減摩和耐磨特性。高溫真空下，添加5wt%Cu-CS顆粒復(fù)合材料的摩擦系數(shù)和磨損率均最低。

（2）高溫真空條件下，添加Cu-CS顆粒的鐵基復(fù)合材料與陶瓷球摩擦行為從滑動摩擦轉(zhuǎn)化成滾滑摩擦，磨損機理以黏著磨損為主。

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