侯思宇 楊 濤 原文慧 杜 宇

（1 天津市現(xiàn)代機(jī)電裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300387）

（2 天津工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津 300387）

文 摘 為了探尋一種簡便的制備納米SiC 增強(qiáng)碳纖維層合板的方法，本文將納米SiC 顆粒均勻分散在無水乙醇中，制備成不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的SiC 試劑，然后均勻噴涂在碳纖維預(yù)浸料表面，固化成型。對不同試件進(jìn)行摩擦磨損實(shí)驗(yàn)，得到不同含量的納米SiC 顆粒對碳纖維層合板摩擦因數(shù)、磨損量的影響規(guī)律，并且對磨損形貌和復(fù)合材料的硬度進(jìn)行分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在碳纖維預(yù)浸料表面噴涂納米SiC 顆粒能夠有效改善碳纖維層合板的摩擦磨損性能；當(dāng)納米SiC 濃度為1%時，層合板的摩擦因數(shù)、磨損量、磨痕的寬度及深度較于不含納米SiC的層合板分別降低52%，63%，32.3%，54.8%，摩擦磨損性能最好。

0 引言

碳纖維復(fù)合材料具有比強(qiáng)度高、結(jié)構(gòu)質(zhì)量輕等特性，被廣泛運(yùn)用到各類摩擦材料中［1-3］。但是，由于碳纖維與樹脂基體復(fù)合時，界面的浸潤性和粘結(jié)性差，使得碳纖維的某些性能難以充分發(fā)揮，因此，研究者將碳纖維的表面處理技術(shù)視為提高碳纖維樹脂基復(fù)合材料摩擦磨損性能的關(guān)鍵技術(shù)之一［4］。馬小龍［5］等使用偶聯(lián)劑對PAN 基碳纖維進(jìn)行表面改性以改善碳纖維與酚醛樹脂基體之間的界面結(jié)合，從而降低復(fù)合材料的磨損率。李張義［6］等采用氣相、液相氧化法等方法對碳纖維進(jìn)行表面處理，探究不同表面處理方法對碳纖維增強(qiáng)硼改性樹脂基復(fù)合材料的摩擦磨損性能。

同時，由于樹脂固化后具有脆性大、對微裂紋較為敏感并且抗疲勞性能較差等特性，限制了碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料作為摩擦器件的應(yīng)用，因此研究者利用無機(jī)材料改性樹脂以增強(qiáng)其摩擦學(xué)性能［7-10］。M.R.AYATOLLAHI 等人［11］用碳納米管及納米氧化硅顆粒改性樹脂，實(shí)驗(yàn)表明添加0.9 wt%的納米氧化硅比不改性的復(fù)合材料磨損率降低82%。李得科等［12］通過不同配比的SiC/環(huán)氧改性酚醛樹脂為預(yù)制原料，分析了SiC 含量對層合板摩擦磨損性能的影響。姚煥英等［13］發(fā)現(xiàn)使用8 wt%的SiC對樹脂進(jìn)行改性后，氰酸酯樹脂/碳化硅復(fù)合材料的耐磨性相對于純氰酸酯樹脂復(fù)合材料提高77.5%。

然而，對纖維進(jìn)行表面處理及無機(jī)顆粒改性樹脂均需要繁瑣的步驟和大量的時間，因此廣大學(xué)者對制備工藝進(jìn)行改進(jìn)。Y.N SU 等［14］將碳納米管噴涂到CF/PEEK 預(yù)浸料表面不僅極大改善層合板機(jī)械性能、導(dǎo)電性及熱性能，也節(jié)省了大量處理材料的時間。A.Jain等［15］使用刷子將多壁碳納米管改性的樹脂均勻的刷到玻璃纖維布上，不僅有效降低玻璃纖維復(fù)合材料的磨損率，也為制備復(fù)合材料提供新思路。

SiC 具有高硬度、高強(qiáng)度、耐熱耐腐蝕等特點(diǎn)，并且目前沒有使用納米SiC 顆粒處理碳纖維預(yù)浸料，以提高復(fù)合材料層合板摩擦磨損性能的研究。因此，本文通過實(shí)驗(yàn)改變納米SiC 的濃度，研究納米SiC 顆粒噴涂在碳纖維預(yù)浸料表面對碳纖維層合板摩擦磨損性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原材料

納米SiC 型號為DK-SiC-001，由北京德科島金科技有限公司生產(chǎn)，平均粒徑40 nm，比表面積為39.8 m2/g，密度0.11 g/cm3。單向碳纖維預(yù)浸料（型號USN 15000，威海光威復(fù)合材料股份有限公司）。無水乙醇（天津市風(fēng)船化學(xué)試劑科技有限公司生產(chǎn)），99.7 wt%。

1.2 試件制備

試件制備流程如下：

（1）將碳纖維預(yù)浸料裁成70 mm×50 mm 尺寸，然后分別放入電子天平中測量每塊預(yù)浸料的質(zhì)量，測量三次取平均值；

（2）使用超聲波細(xì)胞粉碎機(jī)在400 w 功率下，將不同質(zhì)量的SiC 顆粒分別分散在無水乙醇中，分散時間為60 min；

（3）將分散好的納米SiC 乙醇溶液均勻噴涂到相應(yīng)的碳纖維預(yù)浸料表面，待乙醇自然揮發(fā)完后，制備成納米SiC-碳纖維預(yù)浸料；

（4）將不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的納米SiC-碳纖維預(yù)浸料按照純0°的方向進(jìn)行鋪放，鋪層數(shù)量為50 層。使用模壓固化成型的方式進(jìn)行固化。固化條件為80℃固化60 min，升溫至120℃固化90 min，然后使其自然冷卻；

（5）將固化成型后的碳纖維層合板切割為30 mm×9 mm×7 mm 的摩擦磨損試件，并對試件類型進(jìn)行編號，類型A（0.1）、B（0.5）、C（1）、D（3）、E（5）、F（0）分別對應(yīng)納米SiC 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%、0.5%、1%、3%、5%、0%的試件。

1.3 表征測試

使用M-2000 型微機(jī)智能測控系統(tǒng)（張家口市誠信試驗(yàn)設(shè)備制造有限公司）進(jìn)行摩擦磨損實(shí)驗(yàn)，載荷200 N，轉(zhuǎn)速400 r/min，測試時間90 min。環(huán)-塊式摩擦副結(jié)構(gòu)簡圖如圖1 所示。采用HV-1000 顯微硬度計（上海聯(lián)爾試驗(yàn)設(shè)備有限公司制造）測硬度，加載1 kg 的載荷。本實(shí)驗(yàn)使用白光干涉三維表面輪廓儀獲取磨痕的三維形貌，并且測量磨痕的寬度和深度。使用Leica DVM6 數(shù)碼視頻顯微鏡對層合板的磨痕進(jìn)行觀察（Leica DVM6 數(shù)碼視頻顯微鏡的最大放大倍數(shù)為2 350）。使用ZEISS Sigma 300 場發(fā)射掃描電子顯微鏡觀察噴涂納米SiC 顆粒的碳纖維預(yù)浸料表面SiC分布情況。

圖1 環(huán)-塊摩擦模型的摩擦副結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of friction pair of ring-block friction model

2 結(jié)果與討論

2.1 顯微硬度

試件硬度及增長率見表1。從表1 可以看出，添加納米SiC 顆粒能夠有效增強(qiáng)碳纖維復(fù)合材料的硬度，并且在0.1%～5%的，納米顆粒含量越多，硬度越大。當(dāng)碳纖維層合板中加入5%濃度的納米SiC顆粒時，其硬度相比于不含納米SiC 的試件增加26.9%。這是由于納米SiC 是一種高硬度材料，噴涂到預(yù)浸料表面后會與樹脂、碳纖維結(jié)合，固化成型后，能夠有效提高碳纖維樹脂基層合板的硬度。

表1 試件硬度及增長率Tab.1 Hardness and growth rate of specimens

2.2 摩擦磨損性能分析

2.2.1 摩擦因數(shù)

圖2 是典型試件摩擦因數(shù)-時間曲線?？梢钥闯觯?種不同含量材料的摩擦因數(shù)整體走勢基本保持一致。摩擦因數(shù)降到最小值后，無納米SiC 的試件相比噴涂納米SiC 的試件摩擦因數(shù)迅速升高。納米SiC粒子濃度為1%的試件摩擦因數(shù)曲線最優(yōu)。

圖2 典型試件摩擦因數(shù)-時間曲線Fig.2 Coefficient of friction-time curve of typical specimens

2.2.2 磨損量

磨損量公式計算如下：

式中，m0、m1分別表示試件磨損前、后的質(zhì)量。

對不同類型試件的磨損量進(jìn)行計算得出當(dāng)納米SiC 含量為0%時，試件的平均磨損量是3.07 mg；當(dāng)納米SiC 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.1%、0.5%、1%、3%和5%時，試件的平均磨損量分別為2.40、2.13、1.13、1.50 和2.10 mg。對比有無納米SiC 試件的平均磨損量數(shù)值可以發(fā)現(xiàn)，使用不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的納米SiC 噴涂預(yù)浸料后，碳纖維層合板的磨損量均比無納米SiC試件的磨損量??；對比不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的納米SiC 試件的平均磨損量數(shù)值可以看出，隨著納米SiC 質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加試件的平均磨損量呈現(xiàn)先減小、后增加的趨勢。

試件的平均磨損量及增長率見表2?？梢钥闯?，當(dāng)納米SiC 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%、0.5%時，試件的磨損量降低率為21.8%、30.6%；當(dāng)納米SiC 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加到1.0%時，試件的磨損量降低率最大，為63.2%；但隨著納米SiC 質(zhì)量分?jǐn)?shù)的進(jìn)一步增大，試件的磨損量增長率也增大，當(dāng)納米SiC 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%、5%時，試件的磨損量降低率為51.1%、31.6%。

表2 試件的磨損量及增長率Tab.2 Wear and growth rate of specimens

2.2.3 磨痕分析

圖3 是試件磨痕的寬度與深度。試件磨痕的數(shù)值見表3。圖4是試件磨痕的三維形貌圖。

圖3 試件磨痕的寬度與深度Fig.3 Width and depth of wear scar specimens

圖4 磨痕的三維形貌Fig.4 Three-dimensional topography of wear scars

表3 試件磨痕Tab.3 Wear scar specimens

對比有無納米SiC 試件的磨痕寬度和深度可以發(fā)現(xiàn)，含有不同納米SiC 質(zhì)量分?jǐn)?shù)試件的磨痕寬度和深度均比無納米SiC 試件的磨痕寬度和深度小；對比不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的納米SiC 試件磨痕的寬度和深度可以發(fā)現(xiàn)隨著納米SiC 質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，磨痕的寬度和深度均呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢，且當(dāng)納米SiC 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%時，磨痕的寬度和深度均最小分別為3.34 和68.2 μm，比無納米SiC 試件的磨痕寬度和深度分別降低1.6和82.8 μm。

2.3 微觀形貌分析

2.3.1 SEM分析

圖5 為預(yù)浸料表面納米SiC 分散情況?？梢?，1wt%納米SiC 顆粒比較均勻的散布在碳纖維預(yù)浸料表面，而5wt%納米SiC 顆粒在預(yù)浸料上的散布情況，有部分納米SiC 顆粒聚在一起出現(xiàn)了納米團(tuán)聚物。同時，用乙醇溶液分散后噴涂到預(yù)浸料表面時會形成水滴狀的納米SiC 乙醇溶液附著在預(yù)浸料表面，由于一些小水滴之間的引力聚集到一起，導(dǎo)致部分區(qū)域的SiC 濃度增大，當(dāng)乙醇揮發(fā)后導(dǎo)致納米SiC 顆粒留在預(yù)浸料表面，而后出現(xiàn)納米顆粒團(tuán)聚現(xiàn)象。

圖5 預(yù)浸料表面納米SiC分散情況Fig.5 Dispersion of nano-SiC on the surface of prepreg.

圖6 為層合板表面SEM 分析圖。如圖6（a）所示，當(dāng)預(yù)浸料沒有噴涂納米SiC 時，層合板中有明顯的缺陷存在；如圖6（b）所示，當(dāng)預(yù)浸料表面噴涂納米SiC 后，固化后的層合板表面平整度好，凹坑被納米SiC 顆粒填平。這是由于加入的納米SiC 會進(jìn)入到環(huán)氧樹脂的缺陷處，填補(bǔ)復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)缺陷，進(jìn)而提高復(fù)合材料的摩擦學(xué)性能。

圖6 層合板表面SEM分析圖Fig.6 SEM of laminate surface

2.3.2 磨痕形貌分析

為了研究納米SiC 含量對碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料摩擦磨損性能的影響，對6組試件的磨損表面形貌進(jìn)行觀察。圖7是典型試件的磨損表面形貌。

圖7 典型試件的磨損表面形貌Fig.7 Wear scar microstructure of typical specimens.

磨損的嚴(yán)重程度為F（0）＞A（0.1）＞B（0.5）＞E（5）＞D（3）＞C（1）。如圖7（f）所示，無納米SiC 的試件磨損表面粗糙，呈“魚鱗狀剝落”，以磨粒磨損為主。這是由于在磨損過程中與對磨環(huán)實(shí)際接觸的只是試樣表面的大量微凸點(diǎn)，材料相對較軟且表面存在結(jié)構(gòu)缺陷，因此在載荷的作用下發(fā)生變形、接觸、黏合從而產(chǎn)生微裂紋。隨著摩擦磨損時間的增長，微裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展，并導(dǎo)致部分表面脫落從而形成磨屑。與試件F（0）相比，噴涂納米SiC的試件磨損表面相對平滑。原因是：（1）納米SiC 提高了復(fù)合材料基體的承載能力，并且抑制了裂紋的產(chǎn)生與擴(kuò)展，從而具有更好的耐磨性；（2）在摩擦磨損實(shí)驗(yàn)中試件和對磨環(huán)的接觸面間會形成含有納米SiC 的轉(zhuǎn)移膜，由于納米SiC 具有固體潤滑作用，使得該轉(zhuǎn)移膜具有較好的潤滑性，從而減少磨損。納米SiC含量為1%時，試件的磨損表面最光滑，以黏著磨損為主。原因是：（1）適量的納米SiC 可以有效填充材料表面的結(jié)構(gòu)缺陷，提高材料的表面質(zhì)量，從而提升磨損性能：（2）適量的納米SiC 在基體中均勻的分散，較快彌補(bǔ)復(fù)合材料的磨痕，使材料磨損表面看起來光滑。隨著納米SiC 含量繼續(xù)增加，由于納米SiC 過多，容易團(tuán)聚，從而形成應(yīng)力集中點(diǎn)，受到載荷作用的納米SiC 顆粒從基體脫落形成散料，形成磨料磨損；同時過多的納米SiC 無法均勻分散，對材料結(jié)構(gòu)造成影響，進(jìn)而影響碳纖維樹脂基復(fù)合材料的摩擦磨損性能。

3 結(jié)論

（1）摩擦實(shí)驗(yàn)表明納米SiC 顆粒能夠有效改善碳纖維層合板的硬度及摩擦學(xué)性能。在碳纖維預(yù)浸料表面噴涂適量的納米SiC 乙醇溶液，使得成型后的含納米SiC的碳纖維層合板可獲得比未添加納米SiC顆粒的層合板更優(yōu)異的摩擦學(xué)性能。

（2）碳纖維層合板的硬度隨納米SiC的含量增加而增大。當(dāng)噴涂5%含量的納米SiC時碳纖維層合板的硬度最大，相較于不含納米SiC的試件硬度提高26.9%。

（3）不同含量的納米SiC 改善層合板的摩擦磨損性能的效果不同，且隨納米SiC 的含量的增多先增加后減小。在碳纖維預(yù)浸料表面噴涂1%含量納米SiC乙醇溶液時可獲得最佳的摩擦學(xué)性能，磨損量較不含納米SiC 的試件可降低63%，磨痕的寬度和深度最小，分別為3.34 mm、68.2 μm。