摘 要 為掌握酚醛樹脂基復(fù)合材料的綜合性能，為其在航天領(lǐng)域內(nèi)的推廣應(yīng)用提供幫助，開展復(fù)合材料摩擦性能試驗(yàn)的研究。準(zhǔn)備酚醛樹脂、合成材料、桐油、萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)、磨損試驗(yàn)機(jī)等材料與儀器，按照規(guī)范制備酚醛樹脂基復(fù)合材料。選擇彎曲強(qiáng)度、質(zhì)量磨損率作為試驗(yàn)指標(biāo)，經(jīng)過(guò)測(cè)試后表明，在排除外界環(huán)境干擾的條件下，Cu粉末與酚醛樹脂兩者之間的相容性最好，即摻入Cu粉末的材料具有更高強(qiáng)度；摻入濃度為9%石墨粉末的復(fù)合材料的質(zhì)量磨損率最小，摩擦性能最優(yōu)。

關(guān)鍵詞 復(fù)合材料;摩擦性能；質(zhì)量磨損率；彎曲強(qiáng)度

Research on the Friction Performance of Phenolic Resin－based Composite Materials

LIU Yixin， QU Guangyan， QU Yanshuang， HAN Mingxuan， CHEN Haoran

（Harbin FRP Institute Co.，Ltd.， Harbin 150028）

ABSTRACT The research on the friction performance of phenolic resin-based composite materials was conducted to improve their comprehensive properties and facilitate their promotion and application in the aerospace field.Materials and instruments such as phenolic resin，synthesized materials，tung oil，universal testing machine，and wear testing machine were prepared in accordance with the specifications to prepare phenolic resin-based composite materials.The bending strength and mass wear rate were selected as test indicators.The results showed that under the condition of excluding external environmental interference，the compatibility between Cu powder and phenolic resin was the best，indicating that the material mixed with Cu powder had higher strength.The composite material with 9% graphite powder had the lowest mass wear rate and the best friction performance.

KEYWORDS composite material; friction performance; mass wear rate; bending strength

1 引言

酚醛樹脂基復(fù)合材料屬于高分子材料，是化學(xué)研究與航天領(lǐng)域中一種較為常見(jiàn)的材料，此種材料的基體為酚醛樹脂，在使用中具有較強(qiáng)的耐腐蝕性與耐熱性。因此，在機(jī)械制造和裝備制造等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。但在深入研究中發(fā)現(xiàn)，選擇不同的填料會(huì)直接影響酚醛樹脂基復(fù)合材料的性能［1］。目前，已有一些研究者發(fā)現(xiàn)，在酚醛樹脂中填充氮化硼，可以在一定程度上改善材料的耐磨性能；在材料中填充K2TiO3，則會(huì)使原材料力學(xué)性能顯著提升，但其硬度會(huì)降低［2］。為深入研究此類復(fù)合材料的綜合性能，本文旨在通過(guò)展開摩擦性能試驗(yàn)的研究，為化學(xué)研究和科研工作領(lǐng)域提供實(shí)踐性的技術(shù)指導(dǎo)。

2 試驗(yàn)原材料與儀器

為確保試驗(yàn)結(jié)果的客觀性與可靠性，在開展相關(guān)研究前，需準(zhǔn)備摩擦性能試驗(yàn)所需的原材料及儀器設(shè)備，規(guī)范調(diào)試儀器設(shè)備，完成試驗(yàn)前的準(zhǔn)備工作，原材料及儀器設(shè)備如表1和表2所示。

3 酚醛樹脂基復(fù)合材料制備

完成原材料的準(zhǔn)備后，制備酚醛樹脂基復(fù)合材料，制備過(guò)程中，將適量的苯酚放進(jìn)試驗(yàn)室攪拌裝置中，對(duì)其進(jìn)行均勻攪拌［3］。將攪拌后的試劑順著冷凝管倒入500 ml的燒瓶中。在恒溫水浴箱中加熱試劑，控制加熱溫度在80～100 ℃之間［4］。在完成加熱的試劑中依次放入濃度為37%的多聚甲醛溶液、醋酸鋅溶液和催化試劑。通過(guò)此種方式，調(diào)節(jié)溶液的PH值，確保溶液PH值lt;3后，在其中加入腰果殼油，攪拌溶液后將其放置在室溫條件下，確保容器內(nèi)溶液發(fā)生充分反應(yīng)。反應(yīng)時(shí)間超過(guò)4 h后，對(duì)溶液減壓處理，在無(wú)菌條件下蒸餾溶液，保持溶液去水狀態(tài)，對(duì)其進(jìn)行出料處理［5］。在酚醛樹脂基體溶液中加入甲基四胺，充分?jǐn)嚢璨⒒旌先芤?，將其作為預(yù)浸料。

將預(yù)浸料使用丙酮溶液浸泡，控制浸泡時(shí)間在24 h以上，通過(guò)此種方式去除溶液中的雜質(zhì)［6-7］。在此基礎(chǔ)上，使用超聲波清洗裝置，清洗溶液試劑，持續(xù)時(shí)間為0.5～1.0 h，將溶液放置在恒溫加熱烘干裝置中干燥處理。將完成干燥處理后的酚醛樹脂基體材料劃分為三個(gè)等份，將其中第一份材料標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)注為試驗(yàn)組材料，即為CL-01，此材料中不摻入其他材料，為高純度酚醛樹脂。在第二份基體材料中摻入濃度為9%的Cu粉（增強(qiáng)材料），將其作為試驗(yàn)組1，標(biāo)注為CL-02。在第三份基體材料中摻入濃度為9%的石墨粉末（增強(qiáng)材料），將其作為試驗(yàn)組2，標(biāo)注為CL-03。

將CL-01～CL-03放入烘干箱內(nèi)干燥處理，保持烘干箱的溫度在110 ℃以上，通過(guò)此種方式，固化酚醛樹脂基復(fù)合材料［8］。完成以上處理后，將固化的復(fù)合材料放置在真空烘干箱內(nèi)恒溫12 h，控制烘干箱的溫度在35～45 ℃范圍內(nèi)［9］。將烘干的材料放置在磨具中，恒溫170 ℃，并在5 KPa的壓強(qiáng)下固化處理，固化時(shí)間控制在20～30 min范圍內(nèi)。通過(guò)此種方式，得到本次試驗(yàn)所需的酚醛樹脂基復(fù)合材料CL-01～CL-03。

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 彎曲強(qiáng)度

設(shè)計(jì)完成后，使用調(diào)試好的電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，測(cè)試CL-01～CL-03試驗(yàn)樣件的彎曲強(qiáng)度。由專門的技術(shù)人員記錄試驗(yàn)過(guò)程中的數(shù)值，試驗(yàn)過(guò)程中，持續(xù)對(duì)試驗(yàn)樣件進(jìn)行加壓，直到樣件發(fā)生彎曲斷裂，讀取試驗(yàn)機(jī)上記錄的數(shù)值。重復(fù)以上試驗(yàn)步驟5次，計(jì)算5次彎曲強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果的平均值，將其作為試驗(yàn)樣件的彎曲強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果。統(tǒng)計(jì)并整理試驗(yàn)結(jié)果，如表3所示。

計(jì)算CL-01～CL-03試驗(yàn)樣件5次彎曲強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果的平均值，其中CL-01的彎曲強(qiáng)度為63.8 MPa；CL-02的彎曲強(qiáng)度為69.8 MPa；CL-03的彎曲強(qiáng)度為64.6 MPa。從試驗(yàn)結(jié)果可知，CL-02gt;CL-03gt;CL-01，以上試驗(yàn)說(shuō)明，三種酚醛樹脂基復(fù)合材料中，摻入濃度為9%Cu粉末的復(fù)合材料彎曲強(qiáng)度最高。在排除外界環(huán)境干擾的條件下，Cu粉末與酚醛樹脂兩者之間的相容性最好，CL-02材料具有更高的強(qiáng)度，即具有較好的耐磨性。

4.2 質(zhì)量磨損率

完成試驗(yàn)后，設(shè)計(jì)CL-01～CL-03樣件的磨損試驗(yàn)方案，通過(guò)此種方式，更加直觀地感知復(fù)合材料的摩擦性能。在此過(guò)程中，使用定速磨損試驗(yàn)機(jī)對(duì)樣件表面進(jìn)行反復(fù)摩擦。為避免試驗(yàn)過(guò)程中機(jī)械直接磨損影響摩擦性能試驗(yàn)的結(jié)果，在試驗(yàn)中，將定速磨損試驗(yàn)機(jī)上放置一個(gè)上樣件，摩擦試驗(yàn)過(guò)程中上、下樣件的技術(shù)參數(shù)，相關(guān)內(nèi)容如表4所示。

記錄在摩擦前與摩擦后CL-01～CL-03試驗(yàn)樣件的重量，通過(guò)此種方式，使用相減的計(jì)算方法，得到樣件的磨損量，從而掌握CL-01～CL-03試驗(yàn)樣件的質(zhì)量磨損率。

試驗(yàn)過(guò)程中，控制定速磨損試驗(yàn)機(jī)的壓力荷載值在80～100 N范圍內(nèi)（選定一個(gè)壓力值后控制此壓力值穩(wěn)定不變），設(shè)計(jì)定速磨損試驗(yàn)機(jī)中上樣件的磨損運(yùn)動(dòng)機(jī)械轉(zhuǎn)速為500 r/min。為排除外界條件的干擾，設(shè)定試驗(yàn)環(huán)境恒定溫度，控制試驗(yàn)過(guò)程中溫度在17～23 ℃，環(huán)境濕度在40%～55%范圍內(nèi)，在確保上、下樣件接觸面上無(wú)水分的條件下，干摩擦5 min。按照以上方式，設(shè)計(jì)試驗(yàn)樣件的磨損試驗(yàn)方式，相關(guān)內(nèi)容如圖1所示。

試驗(yàn)過(guò)程中，記錄CL-01～CL-03試驗(yàn)樣件在磨損試驗(yàn)前后的質(zhì)量，統(tǒng)計(jì)磨損量數(shù)據(jù)，相關(guān)內(nèi)容如表5所示。

從表5所示的試驗(yàn)結(jié)果中可以看出，CL-01樣件的磨損量gt;CL-02樣件的磨損量gt;CL-03樣件的磨損量，說(shuō)明三種酚醛樹脂基復(fù)合材料中，摻入濃度為9%石墨粉末的復(fù)合材料抗磨損能力最強(qiáng)。

按照以上試驗(yàn)步驟，重復(fù)試驗(yàn)，得到樣件的多次磨損量數(shù)據(jù)。在此基礎(chǔ)上，按照以下計(jì)算公式，對(duì)三個(gè)試驗(yàn)樣件的質(zhì)量磨損率進(jìn)行計(jì)算［10］，如公式（1）所示。

W=△m／（N×T×V）（1）

式中：W表示試驗(yàn)樣件的質(zhì)量磨損率，計(jì)算單位為%；△m表示復(fù)合材料試驗(yàn)樣件的磨損量，計(jì)算單位為mg；N表示定速磨損試驗(yàn)機(jī)在試驗(yàn)過(guò)程中的負(fù)載壓力，計(jì)算單位為N，此次試驗(yàn)取N值為100；T表示磨損試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間，計(jì)算單位為h；V表示定速磨損試驗(yàn)機(jī)的磨損速度，計(jì)算單位為mm/s，此次計(jì)算取V的值為5。按照以上方式，計(jì)算CL-01～CL-03試驗(yàn)樣件的質(zhì)量磨損率。統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

從試驗(yàn)結(jié)果可知，CL-01樣件的質(zhì)量磨損率最大；CL-03樣件的質(zhì)量磨損率最小。因此，在完成試驗(yàn)后，得到如下結(jié)論，摻入濃度為9%石墨粉末的復(fù)合材料摩擦性能最優(yōu)，試驗(yàn)組復(fù)合材料，即未摻入其他材料的復(fù)合材料摩擦性能最差。而出現(xiàn)此種現(xiàn)象的主要原因是石墨粉末本身具有一定的潤(rùn)滑性，可以避免在摩擦中使樣件受到損傷。

5 結(jié)語(yǔ)

（1）本文選擇彎曲強(qiáng)度、質(zhì)量磨損率作為試驗(yàn)指標(biāo)，試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。

（2）在完成試驗(yàn)原材料與儀器準(zhǔn)備、酚醛樹脂基復(fù)合材料制備等工作后，進(jìn)行了復(fù)合材料摩擦性能試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表面摻入9%Cu粉末的材料具有更高強(qiáng)度；摻入濃度為9%石墨粉末的復(fù)合材料的質(zhì)量磨損率最小，摩擦性能最優(yōu)。

6 展望

為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)對(duì)相關(guān)成果在設(shè)計(jì)中的深化，可將本文此次研究的成果作為參照，在后續(xù)的研究中，選擇更多可代表材料摩擦性能的技術(shù)指標(biāo)，對(duì)材料性能展開測(cè)試。通過(guò)此種方式，掌握在不同條件下材料的綜合性能，以此種方式，此外，結(jié)合相關(guān)工作的具體需求，設(shè)計(jì)不同濃度的Cu與石墨，將摻入量作為控制變量，檢驗(yàn)在不同條件下材料的性能，旨在通過(guò)后續(xù)的研究，實(shí)現(xiàn)為我國(guó)航天領(lǐng)域或裝備制造相關(guān)領(lǐng)域的工作研究提供全面的技術(shù)指導(dǎo)與幫助。

參 考 文 獻(xiàn)

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通訊作者：劉毅鑫，碩士研究生，工程師。研究方向?yàn)閺?fù)合材料工藝研究。E-mail：838233642@qq.com