【化學(xué)工程與材料科學(xué)】

嵌入式共固化復(fù)合材料阻尼結(jié)構(gòu)濕熱處理前后的摩擦磨損性能研究

梁森1，王輝1，雒磊1，梁天錫2

(1.青島理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，山東 青島266033; 2.中國工程物理研究院，四川 綿陽621900)

摘要：按照T300/QY8911復(fù)合材料預(yù)浸料固化工藝曲線制成嵌入式共固化復(fù)合材料阻尼結(jié)構(gòu)試件，分別對其進(jìn)行摩擦、磨損實驗，同時對濕熱試驗后試件作耐磨性對比，獲得了該復(fù)合材料的摩擦系數(shù)和磨損量隨阻尼層厚度變化曲線，并對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和研究；結(jié)果表明：濕熱處理前后，阻尼結(jié)構(gòu)的抗摩擦、磨損特性是隨阻尼層厚度的增加而降低；穿孔阻尼結(jié)構(gòu)能較大程度地提高嵌入式共固化復(fù)合材料阻尼結(jié)構(gòu)的抗摩擦、磨損性能；在相同阻尼薄膜厚度情況下，穿孔阻尼結(jié)構(gòu)在濕熱處理前摩擦系數(shù)和磨損量分別降低了9.85%和16.67%,在濕熱處理后摩擦系數(shù)和磨損量分別降低了8.32%和11.43%；為進(jìn)一步探索全天候、超高速、高耐磨性能的嵌入式共固化復(fù)合材料有重要的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：嵌入式共固化復(fù)合材料阻尼結(jié)構(gòu)；摩擦磨損特性；濕熱處理；穿孔阻尼結(jié)構(gòu)

收稿日期：2014-06-27

基金項目：國家自然科學(xué)基金資助項目(51375248)；中國工程物理研究院“儀表板的設(shè)計與開發(fā)”資助項目

作者簡介：梁森，男，教授，主要從事大阻尼功能復(fù)合材料研究。

doi:10.11809/scbgxb2015.01.036

中圖分類號：TB535

文章編號：1006-0707(2015)01-0128-06

本文引用格式：梁森，王輝，雒磊，等.嵌入式共固化復(fù)合材料阻尼結(jié)構(gòu)濕熱處理前后的摩擦磨損性能研究[J].四川兵工學(xué)報，2015(1):128-132.

Citation format:LIANG Sen, WANG Hui, LUO Lei, et al.Tribological Properties of Embedded Co-Cured Composite Damping Structures Before and After Hygrothermal Environment Treatment[J].Journal of Sichuan Ordnance,2015(1):128-132.

Tribological Properties of Embedded Co-Cured Composite Damping

Structures Before and After Hygrothermal Environment Treatment

LIANG Sen1, WANG Hui1, LUO Lei1, LIANG Tian-xi2

(1.College of Mechanical Engineering, Qingdao Technological University, Qingdao 266033, China;

2.China Academy of Engineering Physics, Mianyang 621900,China)

Abstract:According to the cure curve of T300/QY8911, the specimens of the embedded co-cured composite damping structure were manufactured. The friction and wear experiments of the specimens were completed and the tribological properties of the embedded co-cured composite damping structure vs. the thickness of damping membrane were obtained by making a comparison with specimens before and after hygrothermal environment treatment, respectively. The result shows that the friction and wear coefficients are enhancing with the increasing of damping layer thickness, and the embedded co-cured perforated damping layer composite structure can improve the tribological properties. In the same thickness of damping membrane, by comparing with a continuous damping structure, the friction and wear coefficients of a perforated damping layer composite structure are decreased by 9.85% and 16.67% before hygrothermal environment treatment, respectively. The friction and wear coefficients are reduced by 8.32% and 11.43% after hygrothermal environment treatment, respectively. The conclusion is very important for the theoretical prediction of the wear-resistant of the embedded co-cured perforated damping layer composite structure.

Key words: embedded co-cured composite damping structure; friction and wear property; hygrothermal environment treatment; perforated damping structure

復(fù)合材料結(jié)構(gòu)本身的阻尼特性要比常見金屬的高10～100倍，在一定程度上控制了結(jié)構(gòu)的共振幅值、提高了結(jié)構(gòu)的疲勞壽命和抗沖擊能力[1,2]，但是在應(yīng)用中仍然偏低[3-6]，復(fù)合材料力學(xué)性能的可設(shè)計性又為其阻尼性能的進(jìn)一步提高和結(jié)構(gòu)的優(yōu)化提供了廣闊的空間，嵌入式共固化復(fù)合材料阻尼結(jié)構(gòu)(Embedded Co-cured Composite Damping Structure,ECCDS)正是利用這一特性將三種不同性質(zhì)的材料(如碳纖維、樹脂和粘彈性阻尼材料)，通過物理或化學(xué)的方法經(jīng)人工或現(xiàn)代工藝復(fù)合而成的一種多相固體。從它的組成和結(jié)構(gòu)上分析，其中有一相在層內(nèi)基本上是連續(xù)的稱為基體，如樹脂，而另一相是分散被基體所包容的稱為增強(qiáng)相，如碳纖維，還有一相是各向同性的粘彈性阻尼材料。其基體相、增強(qiáng)相和粘彈性阻尼材料在性能上起協(xié)調(diào)作用，從而達(dá)到大幅度地提高復(fù)合材料構(gòu)件阻尼的目的，得到單一材料難以比擬的綜合力學(xué)性能。與傳統(tǒng)阻尼形式相比這種事先阻尼處理結(jié)構(gòu)是鑲嵌在基體材料內(nèi)部的，具有不脫落、抗老化等優(yōu)點，因此這種復(fù)合材料層合阻尼結(jié)構(gòu)一經(jīng)提出就成了眾多國內(nèi)外學(xué)者研究的熱點內(nèi)容[4-9]，然而目前的探索都是在自然環(huán)境下進(jìn)行的[8-12]，要使這種材料應(yīng)用于全天候、超高速的飛行器、運載器等設(shè)備，就必須對其在濕熱環(huán)境處理后的抗摩擦、磨損性能進(jìn)行探究，但時至今日相關(guān)文獻(xiàn)報道非常稀少。為此本文通過實驗研究嵌入式共固化復(fù)合材料在不同環(huán)境處理后摩擦系數(shù)和磨損量來探討ECCDS的抗磨性能，并對實驗結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)分析與討論，為進(jìn)一步探索全天候、超高速、高耐磨性能的嵌入式共固化復(fù)合材料奠定堅實基礎(chǔ)。

1實驗試件

1.1連續(xù)阻尼結(jié)構(gòu)試件制備

參考文獻(xiàn)為研究嵌入式共固化復(fù)合材料的摩擦、磨損性能，本文根據(jù)[12,13]采用碳纖維/雙馬來酰亞胺(T300/QY8911)的共固化工藝制成嵌入式耐高溫大阻尼復(fù)合材料試件，其中粘彈性阻尼層采用刷涂工藝制得，根據(jù)國標(biāo)HB7401—1996通過高壓水切割制成長為50 mm，寬為50 mm的正方形復(fù)合材料試件，其厚度參數(shù)和最終試件分別見表1和圖1。

1.2穿孔阻尼結(jié)構(gòu)試件制作

穿孔阻尼復(fù)合材料結(jié)構(gòu)能在幾乎不降低整體結(jié)構(gòu)剛度的前提下大幅度提高ECCDS的阻尼性能[14]，作為對比試件，本文使用穿孔阻尼結(jié)構(gòu)試件，其層合結(jié)構(gòu)如圖2所示。

表1　試件主要幾何參數(shù)　mm

圖1　嵌入式共固化復(fù)合材料試件

圖2　穿孔阻尼結(jié)構(gòu)示意圖

穿孔阻尼結(jié)構(gòu)是在粘彈性材料層上按照指定尺寸要求穿孔后再與碳纖維預(yù)浸料進(jìn)行共固化，從而制成穿孔阻尼復(fù)合材料結(jié)構(gòu)試件。在共固化工藝中，上、下蒙皮的樹脂會變成液態(tài)，在抽真空、加壓和加熱環(huán)境下，液態(tài)樹脂會貫通阻尼穿孔層將兩側(cè)的復(fù)合材料部分相連，從而提高了阻尼結(jié)構(gòu)的整體剛度。具體如圖3所示。

圖3　穿孔阻尼層共固化后的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)

1.3濕熱處理

為了研究ECCDS濕熱后的摩擦、磨損性能，作為對比實驗，根據(jù)國標(biāo)HB7401-1996分別將相同條件制作的試件進(jìn)行濕熱處理，即將試樣先干燥，使其達(dá)到工程干態(tài)后，然后在78℃～80℃的蒸餾水中進(jìn)行浸泡，每5 h取出稱重直至其重量變化量小于0.02%后，再進(jìn)行烘干達(dá)到工程干態(tài)，就制成濕熱處理后的ECCDS試件。

2摩擦、磨損分析實驗

2.1實驗所用儀器

摩擦實驗采用的是美國CERT公司的UMT-3，實驗儀器和試件裝夾分別如圖4、圖5所示。

磨損試驗采用的是天辰公司MHR-3數(shù)顯立式萬能磨損試驗機(jī)，實驗儀器如圖6所示，實驗試件的夾持如圖7所示。

圖4　CERT摩擦系數(shù)測量儀

圖7　實驗試件的裝夾

2.2實驗方法

將嵌入式共固化復(fù)合材料試件用強(qiáng)力膠水固定在實驗儀器的實驗臺上，摩擦實驗的加載力為2.5 N，加載時間5 min，采用直徑為5 mm的鋼球與試件進(jìn)行往復(fù)式干摩擦; 磨損實驗采用50 N的加載力，磨損時間為30 min，轉(zhuǎn)速為500 r/min，采用3個成120°角分布的直徑為17 mm的鋼球進(jìn)行干磨損，注意要保證試件裝夾牢固可靠，避免在摩擦和磨損實驗時造成試件脫落，磨損后的試件如圖8所示。

圖8　磨損后的嵌入式共固化復(fù)合材料試件

2.3測試結(jié)果及對比

2.3.1ECCDS測試結(jié)果

通過試驗測得ECCDS試件的摩擦系數(shù)隨阻尼層厚度的變化如表2所示；ECCDS試件的磨損量隨阻尼層厚度的變化如表3所示。

表2　摩擦系數(shù)隨阻尼層厚度的實驗結(jié)果

2.3.2濕熱處理后ECCDS測試結(jié)果

為了比較，這里將做過濕熱處理后的試件再次進(jìn)行摩擦、磨損實驗，現(xiàn)將所測摩擦系數(shù)隨阻尼層厚度的變化列入表4，濕熱處理前、后試件摩擦系數(shù)隨阻尼層厚度的變化曲線繪于圖9；并將濕熱處理后ECCDS試件的磨損量隨阻尼層厚度的變化列入表5，濕熱處理前、后ECCDS試件的磨損量隨阻尼層厚度的變化關(guān)系繪于圖10。

表3　磨損量隨阻尼層厚度的實驗結(jié)果

表4　濕熱后ECCDS試驗結(jié)果

表5　濕熱后ECCDS磨損試驗結(jié)果

圖9　濕熱處理前、后摩擦系數(shù)曲線對比

圖10　濕熱處理前、后磨損量曲線對比

2.3.3穿孔阻尼結(jié)構(gòu)的測試結(jié)果

這里采用穿孔孔徑為2 mm，孔距為10 mm，阻尼層厚度為0.2 mm的ECCDS進(jìn)行摩擦、磨損實驗。結(jié)果與相同厚度連續(xù)阻尼試件對比如表6所示。

表6　穿孔阻尼摩擦、磨損試驗結(jié)果及對比

3數(shù)據(jù)分析

3.1連續(xù)阻尼結(jié)構(gòu)測試結(jié)果分析

由于高分子材料的摩擦、磨損是一個非常復(fù)雜的動態(tài)過程,它主要與材料的硬度和密度因素有關(guān)。根據(jù)Archard的摩擦、磨損規(guī)律,即硬質(zhì)材料與軟質(zhì)材料對磨時,軟質(zhì)材料的磨損量與其硬度成反比[15]。從圖9和圖10可知：隨著嵌入式共固化復(fù)合材料阻尼層厚度的增加，ECCDS的摩擦系數(shù)和磨損量都是增加的，這是由于ECCDS的整體剛度隨著阻尼層厚度的增加而降低[16,18-21]。當(dāng)鋼球在相同外力的作用下壓在阻尼薄膜較厚的試件表面時，在試件表面壓入的凹坑就比較深，也就是說試件的表面硬度比較低，從而導(dǎo)致磨損量隨阻尼層厚度的增加而增加。對于相同材質(zhì)和表面粗糙度的試件，其表面硬度越小，摩擦系數(shù)就會變大，從而使試件更容易被磨損，所以ECCDS的抗摩擦、磨損性能也隨著阻尼層厚度的增加而有不同程度地降低。

3.2濕熱處理后ECCDS測試結(jié)果分析

由圖9和圖10知：濕熱處理后試件的摩擦系數(shù)和磨損量均比濕熱前大，這是由于阻尼結(jié)構(gòu)在濕熱環(huán)境下大量水分子進(jìn)入ECCDS中，當(dāng)試件烘干后，水分蒸發(fā)，在ECCDS中留下大量的微觀孔洞，形成如圖11所示的細(xì)微多孔組織，使ECCDS的密度降低，從而使試件的抗摩擦、磨損性能下降。這里的降低是由硬度和密度共同作用的結(jié)果，從而使得濕熱處理后ECCDS摩擦系數(shù)和磨損量均比濕熱前大。當(dāng)阻尼層厚度超過一定值時(如這里0.4 mm)，濕熱試驗后試件的摩擦系數(shù)和磨損量會略高于濕熱前試件，這是由于當(dāng)阻尼層厚度達(dá)到一定值時，整體結(jié)構(gòu)的剛度就不隨阻尼層厚度的增加而發(fā)生顯著變化，也就是說濕熱前、后其表面的硬度幾乎不再隨阻尼層厚度的變化而顯著變化，而濕熱實驗處理后的多孔結(jié)構(gòu)導(dǎo)致密度降低在起作用。因此，出現(xiàn)了較厚阻尼層的ECCDS試件其濕熱試驗后試件的摩擦、磨損性能略高于濕熱處理前的試件。

圖11　試件濕熱處理后的SEM圖

3.3穿孔阻尼結(jié)構(gòu)測試結(jié)果分析

從表6可知：濕熱前穿孔阻尼結(jié)構(gòu)其摩擦系數(shù)和磨損量比連續(xù)阻尼結(jié)構(gòu)分別降低了9.85%和16.67%，濕熱后穿孔阻尼結(jié)構(gòu)摩擦系數(shù)和磨損量比連續(xù)阻尼結(jié)構(gòu)分別降低了8.32%和11.43%。

究其原因是穿孔阻尼結(jié)構(gòu)在上、下蒙皮之間有許多由樹脂構(gòu)成的“樹脂釘”，正如圖3所示，這些樹脂釘?shù)拇嬖?，使上、下蒙皮之間的硬支撐點增加，穿孔結(jié)構(gòu)越多即孔距越小[14,16]，硬支撐點也多，每個支撐點之間的距離越短，從而使整體結(jié)構(gòu)的剛度有很大程度地提高，相當(dāng)于ECCDS試件表面的硬度增加，正是由于穿孔阻尼結(jié)構(gòu)提高了整體結(jié)構(gòu)的剛度，從而提高ECCDS的表面硬度，使得整個結(jié)構(gòu)的抗摩擦、磨損性能提高。因此，穿孔阻尼結(jié)構(gòu)可以有效地提高ECCDS的抗摩擦、磨損性能。

4結(jié)論

摩擦、磨損性能直接影響著ECCDS在超高速、全天候運載工具中的應(yīng)用前景，本文通過對不同阻尼薄膜厚度的ECCDS試件進(jìn)行摩擦、磨損實驗，測得不同阻尼層厚度的摩擦系數(shù)和磨損量，并與濕熱實驗后試件、穿孔阻尼薄膜試件的研究結(jié)果進(jìn)行了對比，主要結(jié)論：

濕熱實驗前、后的ECCDS試件其摩擦系數(shù)和磨損量都隨著阻尼層厚度的增加而增加。在相同阻尼層厚度時，濕熱處理后試件的摩擦系數(shù)和磨損量均大于濕熱處理前試件的摩擦系數(shù)和磨損量，說明濕熱處理能降低ECCDS結(jié)構(gòu)的抗摩擦磨損性能。穿孔阻尼復(fù)合材料結(jié)構(gòu)能提高ECCDS的抗摩擦、磨損性能。即在同等條件下，濕熱實驗處理前穿孔阻尼結(jié)構(gòu)與相同厚度的連續(xù)阻尼結(jié)構(gòu)相比其抗摩擦、磨損性能分別提高9.85%和16.67%；濕熱實驗后穿孔阻尼的抗摩擦、磨損性能與相同厚度的連續(xù)阻尼結(jié)構(gòu)相比分別提高8.32%和11.43%。因此，穿孔阻尼結(jié)構(gòu)可以有效改善ECCDS的摩擦、磨損特性。如果改變穿孔阻尼結(jié)構(gòu)的孔徑和孔距就能設(shè)計穿孔阻尼復(fù)合材料結(jié)構(gòu)表面的抗摩擦、磨損性能。

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(責(zé)任編輯楊繼森)