曹鳳香 王亞楠 吳坤堯

(西安航空學(xué)院材料工程學(xué)院 陜西西安 710000)

碳纖維(CF)由于具有高的比強(qiáng)度、比模量和優(yōu)異的潤滑性,常被用作各種聚合物的增強(qiáng)材料[1-2]。碳纖維/聚合物復(fù)合材料，由于其具有低的密度、高的比強(qiáng)度、良好的自潤滑性等特點(diǎn)，而被作為密封件、減震墊、齒輪、軸承等廣泛應(yīng)用在航空航天領(lǐng)域[3-6]。近年來，隨著科技的發(fā)展，對應(yīng)用于苛刻環(huán)境下(高承載、高速度)的碳纖維/聚合物復(fù)合材料提出了更高的要求。然而，由于碳纖維表面石墨化的結(jié)構(gòu)，使得纖維表面惰性比較大、表面能低、有機(jī)官能團(tuán)少，從而使得碳纖維與聚合物基體的界面結(jié)合性比較差。差的界面結(jié)合極易引起CF界面的應(yīng)力集中，誘發(fā)裂紋產(chǎn)生而導(dǎo)致摩擦元件失效，引發(fā)一系列嚴(yán)重問題。因此，優(yōu)化復(fù)合材料的界面性質(zhì)，獲得高強(qiáng)、高耐磨的碳纖維/聚合物復(fù)合材料，對于滿足航空航天等工業(yè)領(lǐng)域苛刻條件下潤滑材料的需求具有重要意義。

許多研究人員通過在碳纖維/樹脂復(fù)合材料中引入納米顆粒，構(gòu)筑微納多尺度共增強(qiáng)復(fù)合材料，來改善復(fù)合材料的界面強(qiáng)度和韌性，同時(shí)分散碳纖維所承受的應(yīng)力，獲得了高強(qiáng)、高耐磨碳纖維/樹脂復(fù)合材料。文獻(xiàn)[7-9]系統(tǒng)地研究了納米SiO2和TiO2改善碳纖維/樹脂復(fù)合材料耐磨性的機(jī)制，認(rèn)為由于納米顆粒有效地分散了碳纖維所承受的應(yīng)力，保護(hù)了碳纖維與聚合物基體間的界面，避免了摩擦磨損過程中碳纖維的拔出。文獻(xiàn)[10-13]在此方面也做了大量工作，同樣發(fā)現(xiàn)納米顆粒能夠有效降低碳纖維周圍的應(yīng)力集中，提高碳纖維/樹脂復(fù)合材料的減摩抗磨性能。但是目前對于納米顆粒對碳纖維/超高分子量聚乙烯復(fù)合材料摩擦學(xué)性能和力學(xué)性能影響的研究很少。本文作者利用熱壓成型的方法制備了納米顆粒TiO2和SiO2增強(qiáng)的碳纖維/超高分子量聚乙烯復(fù)合材料，考察了納米顆粒對碳纖維/復(fù)合材料力學(xué)和摩擦學(xué)性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)用超高分子量聚乙烯(UHMWPE)為市售TiconaGUR4150粉末，其相對分子質(zhì)量約為9.2×106，平均粒徑為120 μm；二氧化硅(SiO2)納米顆粒由宣城金瑞新材料有限公司提供，平均粒徑為30 nm；二氧化鈦(TiO2)納米顆粒由先豐納米材料有限公司提供，平均粒徑為15～25 nm;碳纖維直徑為7 μm，密度為1.77 g/cm3。

1.2 樣品制備

采用熱壓燒結(jié)的方法制備復(fù)合材料。在復(fù)合材料中碳纖維的體積分?jǐn)?shù)為10%，納米顆粒SiO2、TiO2體積分?jǐn)?shù)為1%。首先采用機(jī)械混合各種原料，然后在溫度200 ℃、燒結(jié)壓力10 MPa下燒結(jié)，保溫時(shí)間為1 h。待燒結(jié)結(jié)束，冷卻后取出樣品，就得到所需的復(fù)合材料。

1.3 性能測試

復(fù)合材料的摩擦磨損實(shí)驗(yàn)在UMT-5型球盤式摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，上試樣為直徑為9 mm 的GCr15鋼球,下試樣為所制備的聚合物復(fù)合材料。每次實(shí)驗(yàn)前，需要對上下試樣用丙酮進(jìn)行清洗以除去表面的雜質(zhì)。摩擦實(shí)驗(yàn)條件為：載荷50 N，振幅0.5 cm，頻率2 Hz，測試時(shí)間20 min。摩擦因數(shù)曲線可以由摩擦試驗(yàn)機(jī)直接得出，磨損率采用三維輪廓儀進(jìn)行測定。磨損率K(mm3/N·m)的計(jì)算公式為

K=ΔV/(FNL)

式中：ΔV為磨損體積， mm3；FN為載荷，N;L為總行程，m。

試樣力學(xué)性能測試按照GB/T 9341—2008進(jìn)行，試樣長度為(80±0.5) mm，寬度為(10.0±0.5) mm，厚為(4.0±0.5) mm。彎曲試樣跨距為64 mm，彎曲速率為10 mm/min，彎曲強(qiáng)度按下式計(jì)算：

式中:σf為試樣彎曲強(qiáng)度，MPa；pf為最大載荷，N；S為試樣跨距，mm；d為試樣厚度，mm，b為試樣寬度，mm。

拉伸實(shí)驗(yàn)按照GB/T 1040.2/1A—2006進(jìn)行，試樣的長度為(80±0.5) mm，寬度為(10.0±0.5) mm，厚為(4.0±0.5) mm的啞鈴型。拉伸試樣標(biāo)距為25 mm，拉伸速率為50 mm/min，拉伸強(qiáng)度根據(jù)儀器測定的最大力值計(jì)算得出。計(jì)算公式如下：

式中:σt為試樣拉伸強(qiáng)度，MPa；pt為最大載荷，N；b為試樣寬度，mm；d為試樣厚度，mm。

復(fù)合材料的邵氏硬度采用江都明珠測試機(jī)械廠生產(chǎn)的邵氏硬度計(jì)測量。復(fù)合材料斷面和磨痕表面形貌采用掃描電子顯微鏡觀察。為了提高SEM觀察的清晰度，在測試之前，在聚合物樣品表面鍍一薄層金來增加樣品的導(dǎo)電性。

2 結(jié)果與討論

2.1 力學(xué)性能

3種UHMWPE基復(fù)合材料的力學(xué)性能測試結(jié)果見表1?？梢钥闯?，納米顆粒SiO2和TiO2的加入提高了碳纖維/超高分子量聚乙烯復(fù)合材料的硬度；另外，加入納米SiO2和TiO2使得復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度都有了一定程度的提高，這說明納米顆粒的加入有利于復(fù)合材料界面性能的提高。

表1 3種UHMWPE基復(fù)合材料的力學(xué)性能

復(fù)合材料硬度的提高有利于改善其抗承載和抗變形能力，界面性能的提高有利于摩擦過程中的摩擦力從聚合物基體向纖維的傳遞，兩者均可改善復(fù)合材料的耐磨性。

2.2 斷裂形貌分析

圖1示出了3種復(fù)合材料的斷裂形貌。可以看出，當(dāng)復(fù)合材料中無納米顆粒時(shí)，復(fù)合材料斷裂表面中斷裂纖維的表面相對比較光滑。對纖維表面進(jìn)行放大，可以看到有很少量的樹枝狀的UHMWPE樹脂存在。這說明碳纖維和UHMWPE之間的界面結(jié)合較弱，在拉伸的情況下，碳纖維很容易從UHMWPE樹脂中拔出，并且纖維表面相對比較光滑。當(dāng)向復(fù)合材料中加入納米SiO2和TiO2顆粒之后，復(fù)合材料斷裂表面中碳纖維表面樹枝狀的UHMWPE樹脂含量變得更多。這說明納米顆粒的加入使得CF與UHMWPE之間的結(jié)合變得更好，使得加載在樹脂上的力更有效地傳遞到纖維上，從而提高了復(fù)合材料的力學(xué)性能。

圖1 UHMWPE基復(fù)合材料的斷裂形貌

2.3 摩擦因數(shù)與磨損率

圖2示出了3種UHMWPE基復(fù)合材料摩擦因數(shù)隨著時(shí)間的變化曲線?？梢钥闯?，無納米顆粒的復(fù)合材料的摩擦因數(shù)變化較大，曲線也不光滑；當(dāng)加入納米顆粒之后，摩擦因數(shù)的曲線變得更為平滑。這說明納米顆粒SiO2和TiO2的加入可以使得復(fù)合材料的摩擦因數(shù)曲線變得更為平滑。

圖2 3種UHMWPE基復(fù)合材料摩擦因數(shù)隨著時(shí)間變化的曲線

表2給出了通過三維超景深顯微鏡測得的復(fù)合材料的摩擦因數(shù)和磨損率?？梢钥闯?，不含納米顆粒的復(fù)合材料的摩擦因數(shù)和磨損率最高，當(dāng)加入納米顆粒之后，復(fù)合材料的磨損率大幅降低，摩擦因數(shù)有所下降，這說明納米顆粒的加入可以明顯地提高復(fù)合材料的耐磨性。由前文力學(xué)性能測試結(jié)果可知，當(dāng)加入納米顆粒之后復(fù)合材料的力學(xué)性能有所提高，CF和UHMWPE之間的界面結(jié)合也變得更好，這有利于摩擦力從樹脂基體向增強(qiáng)纖維的傳遞，從而提高了復(fù)合材料的摩擦學(xué)性能[14]。此外，加入納米SiO2和TiO2后復(fù)合材料的硬度提高，因而復(fù)合材料的抗承載能力提高，從而提高了復(fù)合材料的耐磨性。

表2 3種UHMWPE基復(fù)合材料的平均摩擦因數(shù)和磨損率

3種復(fù)合材料中，添加納米TiO2的復(fù)合材料具有最佳的耐磨性，這是因?yàn)槠淞W(xué)性能最好，硬度最高。由材料的三維超景深顯微鏡分析結(jié)果(如圖3所示)，同樣可以看出，不含納米顆料的復(fù)合材料的磨損最嚴(yán)重，而加入TiO2的復(fù)合材料的磨損是最小的。

圖3 UHMWPE基復(fù)合材料的超景深顯微鏡

2.4 磨痕表面形貌

圖4示出了3種UHMWPE基復(fù)合材料的磨痕表面形貌?？梢钥吹?，不含納米顆料的復(fù)合材料的磨痕表面有很多裂紋產(chǎn)生(如圖4(a)所示)。通常情況下，復(fù)合材料中的硬質(zhì)顆粒碳纖維是應(yīng)力集中的地方，在大的載荷和速度作用下，碳纖維周圍容易形成應(yīng)力集中從而形成微裂紋。這表明CF/UHWMPE復(fù)合材料的主要磨損機(jī)制為嚴(yán)重的塑性變形。如圖4(b)、(c)所示，當(dāng)向復(fù)合材料中加入納米顆粒SiO2和TiO2之后，磨痕表面的微裂紋變少。從前面的力學(xué)和斷面形貌分析可知，納米顆粒的加入使得碳纖維和樹脂之間的界面結(jié)合變得更好，這有利于摩擦過程中應(yīng)力的傳遞，從而降低了在反復(fù)應(yīng)力作用下碳纖維與樹脂之間的剝離[15]。同時(shí)加入的納米顆粒分布在碳纖維的周圍，可以承擔(dān)部分施加在碳纖維上的應(yīng)力，從而使得碳纖維周圍的微裂紋降低。因此，加入納米顆粒后復(fù)合材料的磨損機(jī)制變?yōu)檩p微的塑性變形。

圖4 3種UHMWPE基復(fù)合材料磨痕表面的SEM圖

3 結(jié)論

(1)納米顆粒SiO2和TiO2的加入提高了CF/UHMWPE復(fù)合材料的力學(xué)性能，改善了CF和UHMWPE的界面結(jié)合，其中加入TiO2的CF/UHMWPE復(fù)合材料的力學(xué)性能最好。

(2) 納米顆粒SiO2和TiO2的加入降低了CF/UHMWPE復(fù)合材料的摩擦因數(shù)，明顯地改善復(fù)合材料的耐磨性，其中加入TiO2的CF/UHMWPE復(fù)合材料的耐磨性最好。

(3)加入納米顆粒后CF/UHMWPE復(fù)合材料的磨損機(jī)制由嚴(yán)重的塑性變形變?yōu)檩p微的塑性變形。