采用碳纖維與聚四氟乙烯纖維（CF/PTFE）混編織物增強,制備了環(huán)氧樹脂基自潤滑復合材料,研究了鋼背襯復合材料與45鋼在環(huán)-環(huán)端面干摩擦狀態(tài)下的摩擦學特性,考查了纖維織物、摩擦熱、載荷、速度對材料摩擦磨損性能的影響,用紅外熱像儀、熱電偶及風冷方式對摩擦副溫度進行監(jiān)控,用激光共聚焦顯微鏡和掃描電子顯微鏡對復合材料及偶件磨損面進行了觀察與能譜分析.結果表明:與碳織物相比,混編纖維織物大大改善了復合材料的摩擦學性能,改善效果極大依賴于摩擦溫度、載荷和速度參數(shù).PTFE纖維磨損后在樹脂基體及偶件表面形成減摩型轉移膜層,材料表現(xiàn)為疲勞磨損特征.摩擦高溫使復合材料摩擦學特性改變,黏結磨損加劇,偶件鋼環(huán)表面出現(xiàn)氧化磨損,樹脂基體塑性流動,摩擦力增大.混編纖維的排布方式影響復合材料的摩擦磨損性能,摩擦面上大量破碎的碳纖維易使偶件表面轉移膜受到破壞,復合材料轉變?yōu)橐阅チＤp為主,減摩主要源于磨屑中的潤滑組分. 

【文章來源】：摩擦學學報. 2016,36(05)北大核心

【文章頁數(shù)】：9 頁

【部分圖文】：

圖1兩種不同的CF/PTFE纖維混編織物排布方式

μ=MF·R磨損試驗機上進行(最大摩擦力矩2N·m),雙環(huán)接觸端面摩擦磨損方式,試驗原理見圖2.下環(huán)試樣采用經(jīng)淬火處理的45鋼環(huán),硬度HRC45,尺寸Φ42mm×Φ20mm×10.5mm.上環(huán)試樣為45鋼背復合材料襯層,試環(huán)尺寸Φ34mm×Φ20mm×8mm,襯層厚度2.5mm.試樣表面用砂紙打磨后拋光至表面粗糙度Ra為0.1μm,清洗干凈.摩擦磨損試驗條件:干摩擦,轉速120~340r/min,法向載荷100~350N,時間1~2h.試驗過程中測力傳感器動態(tài)檢測摩擦力矩M(單位:N·m),由公式計算得到摩擦系數(shù)(式中,F為法向載荷,單位N;R為環(huán)試樣摩擦半徑,單位m),作μ–t特性曲線.用Fluke紅外熱像儀分析試樣摩擦過程中的溫度場分布,ws(m3/N·m)=mρ·F·N·2πR用熱電偶測量下試環(huán)摩擦面溫度T.試環(huán)溫度采用風冷控制方式.試驗結束后用超聲波清洗試樣并烘干,用精度為0.1mg的電子天平稱量磨損質(zhì)量損失m(kg),用式計算比磨損率(式中ρ為材料密度kg/m3,N為試環(huán)總轉數(shù)).采用ZEISSEVO10型掃描電子顯微鏡和牛津能譜儀對偶件和噴金處理后的復合材料磨損面進行觀察和分析,用OlympusLEXTOLS4100激光共聚焦顯微鏡對磨損面的三維形貌進行表征.相同條件下同組試樣(5件)進行重復性試驗.樹脂基體玻璃化溫度測定采用美國TA公司DSC分析軟件UniversalV3.7A完成,加熱速度20K/min.2結果與討論2.1材料摩擦磨損特性為考查纖維織物對環(huán)氧樹脂基復合材料摩擦磨損特性的影響,試驗制備了4類不同復合材料襯層,其基本特征如表1所示.圖3為不同復合材料襯層在F=100N,n=240r/min時的典型摩擦特性.由圖可知,無纖維增強的樹脂基體襯層(No.1),初始摩擦系數(shù)在0.4~0.5范圍內(nèi)波動,隨著摩擦時間t的延長,μ、T均快速上升,60min后μ值達0.7~0.8,T值接近140℃,材料摩擦特性明顯惡化.碳織物增強復

材料性能的影響,首先,對樹脂基體固化物進行了熱失重分析,如圖4(a)所示,獲得材料玻璃化溫度Tg=115.32℃.摩擦試驗中通過增加法向載荷及減小速度的方式增大摩擦熱、通過風冷加快摩擦熱的傳出,從而控制偶件鋼環(huán)的溫度.圖4(b)所示No.3襯層初始摩擦階段溫度場表明,摩擦熱主要聚集在襯層材料上,傳向下環(huán)試樣的熱量遠高于上環(huán)方向.因此,摩擦面溫度升高的同時,襯層整體溫度亦因較低的導熱性而增加.圖4(c)(d)表示試環(huán)在法向載荷分別為300N和350N、轉速為240r/min和120r/min時的μ–t、T–t關系.由圖可知,初始摩擦階段襯層摩擦溫度較低(30~60℃),μ值在0.2~0.3范圍內(nèi)波動,材料具有明顯的減摩性能.隨著t的延長,T值快速上升,μ值亦隨之逐漸增大.在F=300N、n=120r/min工況下,t=50min時T達150℃,μ=0.5.此時對試環(huán)進行風冷,并控制偶件鋼環(huán)溫度在60~70℃之間,襯層摩擦系數(shù)快速降低,μ–t曲線平穩(wěn),穩(wěn)態(tài)平均摩擦系數(shù)μ=0.33.圖4(d)表示了No.3襯層在摩擦時間t=7min后即開啟風冷,偶件溫度控制在65~70℃之間,此時材料μ–t曲線平穩(wěn),穩(wěn)態(tài)平均摩擦系數(shù)μ=0.30.綜合可知,CF/PTFE纖維混編織物復合材料襯層在溫度低于70℃時表現(xiàn)出優(yōu)良的減摩性能,載荷、速度、摩擦時間的延長將使摩擦面溫度上升,當積聚在襯層中的摩擦熱不能有效傳出時,材料摩擦系數(shù)將隨時間逐漸上升,摩擦副溫度高于復合材料基體玻璃化溫度后的復合材料摩擦系數(shù)快速上升,摩擦特性惡化.載荷與轉速除因?qū)δΣ翢岬呢暙I使材料干摩擦特性產(chǎn)生上述類似的變化外,其對摩擦學過程的作用存在著另外的差異.這主要是因為摩擦速度在一定程度上還反映了發(fā)生摩擦磨損的距離,而接觸壓力則在一定程度上還對應著材料的變形情況.為考察CF/PTFE纖維混編復合材料襯層磨損性能及載荷與轉速對摩擦學特性的影響,?


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