混雜填充改善環(huán)氧樹脂的減摩耐磨性能

章明秋，容敏智，凌 聰

（中山大學 聚合物復合材料及功能材料教育部重點實驗室，廣東 廣州 510275）

混雜填充改善環(huán)氧樹脂的減摩耐磨性能

章明秋，容敏智，凌 聰

（中山大學 聚合物復合材料及功能材料教育部重點實驗室，廣東 廣州 510275）

為提高環(huán)氧樹脂的減摩耐磨性能，本工作采用高硬度納米氮化硅粒子和具有優(yōu)異自潤滑和導熱性能的短碳纖維進行填充改性，以期通過填料之間的協(xié)同作用，顯著降低復合材料的表面摩擦力和摩擦面溫度，從而提高抵抗磨損能力.摩擦磨損實驗結(jié)果表明，同時加入納米氮化硅粒子和短碳纖維時，可以獲得優(yōu)于加入單一填料所獲得的摩擦磨損性能.納米氮化硅粒子／短碳纖維／環(huán)氧樹脂復合材料的磨損機理主要是粘著磨損和磨粒磨損.

環(huán)氧樹脂；納米粒子；碳纖維；摩擦磨損

高分子材料在摩擦磨損中的應用越來越廣泛，因此對其摩擦磨損的性能的研究和改進成為許多研究者的課題［1］.環(huán)氧樹脂是一種強度高、粘結(jié)性能好、具有優(yōu)良耐熱性、防腐性和承載能力的熱固性高分子材料［2］，隨著電子工業(yè)的迅速發(fā)展，各種相關(guān)機械的小型化和微型化已成為潮流，環(huán)氧樹脂在這些方面的應用不斷的擴展，對其摩擦磨損性能也提出了更高的要求.與熱塑性高分子材料相比，環(huán)氧樹脂脆而硬，斷裂能較低，在與金屬對偶件摩擦時容易發(fā)生脆性斷裂，通常需要添加微米級填料，用以顯著改善其綜合性能和摩擦磨損性能.

本工作研究利用硬度較大的納米氮化硅粒子和具有優(yōu)異自潤滑和導熱性能的短碳纖維進行混雜填充［3］，希望在較低填料用量情況下，通過發(fā)揮混雜效應，獲得具有良好減摩耐磨環(huán)氧基復合材料.研究內(nèi)容包括比較不同含量的填料對環(huán)氧樹脂摩擦磨損性能的影響，探討復合體系成分組成的優(yōu)化比例，揭示復合材料的摩擦磨損機理等.

1 實驗部分

1.1 原材料

納米氮化硅nano－Si3N4，α相，平均粒徑17 nm，比表面積52 m2／g，密度3.4 g／cm3，由石家莊華泰超細粉末制品廠生產(chǎn)；聚丙烯腈基短碳纖維SCF：直徑7～10μm，長度約3 mm，由上海碳纖維廠生產(chǎn)；雙酚A環(huán)氧樹脂E－51：環(huán)氧值0.49～0.53，由廣州市東風化工廠生產(chǎn)；4，4’－二氨基二苯砜DDS：化學純，由中國醫(yī)藥集團上海試劑公司生產(chǎn).

1.2 樣品制備

將環(huán)氧樹脂先溶解在丙酮中（60 g環(huán)氧樹脂約50 m L的丙酮），再把納米粒子和碳纖維分散在適量的丙酮溶劑中，然后將兩者在室溫機械快速攪拌3 h，加熱到120℃除去溶劑，繼續(xù)機械攪拌2 h，在40℃真空干燥1 h，獲得均勻的混合物.將上述混合物在磁力攪拌下加熱到130℃，緩慢加入適量的固化劑，加完后讓其充分溶解15 min.將固化劑充分溶解后的混合物快速澆注于已經(jīng)預熱的模具中，然后將其置于80℃真空烘箱中真空脫除氣泡30 min.脫氣完畢后，取出置于程序控溫的烘箱中按設定的程序升溫固化.固化條件：100℃，3 h；140℃，2 h；180℃，2 h；200℃后固化2 h，最后自然冷卻到室溫.

1.3 性能測試與形態(tài)表征

利用M－200型磨損實驗機（宣化材料試驗機廠生產(chǎn)）進行摩擦磨損實驗，摩擦類型為室溫滑動干摩擦，鋼輪滑動速度為0.42 m／s，試樣尺寸為6 mm×10 mm×16 mm，對磨環(huán)（0.42% ～0.45%C，0.17%～0.37%Si，0.5%～0.8%Mn，HRC50）是直徑為40 mm的45號鋼輪，表面初始光潔度為0.1 μm.摩擦實驗前試樣和對磨鋼輪都經(jīng)600號水磨砂紙打磨.試樣與鋼輪預磨時間為1 h，測試時間為3 h.每個試樣進行三次平行摩擦實驗，取其平均值，并計算標準偏差.

采用Philips XL－30 FEG掃描電鏡（SEM）觀察復合材料磨損面形貌.

2 結(jié)果與討論

氮化硅是一種具有自潤滑性的陶瓷材料［4］，這種自潤滑性產(chǎn)生的主要原因是在壓力作用下，其摩擦表面微量分解形成薄薄的氣膜，從而使得摩擦面之間的滑動阻力減小，摩擦面的光潔度增加.此外，對于納米氮化硅粒子，還有可能誘導復合材料在摩擦過程中發(fā)生摩擦化學作用，生成SiO2類的產(chǎn)物，從而顯著改善轉(zhuǎn)移膜的附著強度和成膜質(zhì)量，使得復合材料具有較好的摩擦性能.

圖1和圖2比較了體積含量為1%，3%，5%納米氮化硅粒子／環(huán)氧樹脂復合材料與純環(huán)氧樹脂材料在各種測試壓力下的摩擦磨損性能.由圖1和圖2可知，復合材料摩擦系數(shù)隨納米粒子的含量增加而下降，當加入體積含量為3%納米Si3N4粒子時，摩擦系數(shù)降到最低，隨后開始出現(xiàn)隨粒子含量增加而升高的趨勢，但是仍然低于純環(huán)氧的摩擦系數(shù).比磨損率也是隨納米粒子的含量增加而下降，而且下降幅度更為明顯.當加入體積含量1%納米Si3N4粒子時，比磨損率降至最低.此后也開始出現(xiàn)隨粒子含量增加而升高的趨勢，不過升高到一定值就趨于平衡，而且此時的比磨損率遠遠低于純環(huán)氧的比磨損率.

當納米粒子含量較高時，會降低納米粒子在環(huán)氧基體的均勻分散，使得納米粒子團聚傾向加重.當體系中粒子分散不均勻性達到一定的程度后，納米粒子團聚在一起降低了納米粒子與環(huán)氧基體之間的界面作用力，增強效果下降，還有可能成為疲勞磨損的誘發(fā)點，從而對復合材料的摩擦磨損性能產(chǎn)生負面影響.

圖1 納米Si3 N4／環(huán)氧樹脂復合材料摩擦系數(shù)與納米Si3 N4含量的關(guān)系

圖2 納米Si3 N4／環(huán)氧樹脂復合材料比磨損率與納米Si3 N4含量的關(guān)系

當同時在環(huán)氧樹脂中加入納米氮化硅粒子和短碳纖維時，可以獲得與加入單一填料所沒有的摩擦磨損性能，如圖3和圖4所示，加入體積含量為15%的短碳纖維后，其摩擦系數(shù)和比磨損率在體積含量為1%納米Si3N4粒子處出現(xiàn)最小值，這說明同時加入納米氮化硅粒子和短碳纖維時，存在它們之間的協(xié)調(diào)作用，可以獲得最佳的摩擦磨損性能.值得注意的是，同時加入兩種組分的填料也有可能產(chǎn)生互相抑制的作用，納米氮化硅粒子可能會抑制短碳纖維傳導基體的作用力，短碳纖維可能會抑制納米氮化硅粒子的分散；因此，當加入過量的填料后，納米氮化硅粒子／短碳纖維／環(huán)氧樹脂復合材料的摩擦磨損性能低于單種填料改性的環(huán)氧樹脂復合材料的摩擦磨損性能，但是仍然比優(yōu)于純環(huán)氧樹脂的摩擦磨損性能.

圖3 納米Si3 N4／短碳纖維／環(huán)氧樹脂復合材料摩擦系數(shù)與納米Si3 N4含量的關(guān)系（短碳纖維的體積含量10%）

圖4 納米Si3 N4／短碳纖維／環(huán)氧樹脂復合材料比磨損率與納米Si3 N4含量的關(guān)系（短碳纖維的體積含量10%）

為了探討磨損機理，我們用掃描電鏡觀察了各試樣的磨損表面形貌.如圖5（a）所示，純環(huán)氧樹脂的摩擦表面出現(xiàn)了嚴重的粘著磨損破壞，相對脆性的表面被鋼輪切削出很多大的孔洞，表面凹凸不平，說明純環(huán)氧樹脂在磨損時，是以大塊碎片脫落的形式被破壞，同時環(huán)氧樹脂相對柔軟的表面容易被鋼輪表面的凸鋒切入，產(chǎn)生犁溝效應，從本體材料上被撕裂下的碎片粘附在對磨面上，形成轉(zhuǎn)移膜與依附膜，或形成自由磨屑.而對于混雜復合材料而言（圖5（b）和圖5（c）），可以發(fā)現(xiàn)它們的磨損表面有一個規(guī)律的變化，就是磨損表面的磨屑增多，說明磨損機理從粘著磨損逐漸過渡到磨粒磨損.由此推測這種變化過程如下：在低體積含量的納米氮化硅和短碳纖維增強的作用下，納米粒子和短碳纖維脫落都比較少，脫落的部分有助于環(huán)氧樹脂在對偶面形成的轉(zhuǎn)移膜的穩(wěn)定性，主要是粘著磨損機理在起作用；當增加納米粒子的含量時，可以明顯發(fā)現(xiàn)表面的納米粒子和短碳纖維脫落的數(shù)量增多，在摩擦面上形成了自潤滑層和轉(zhuǎn)移膜，降低了摩擦力，此時仍然是粘著磨損在起主要作用，但由于納米粒子分散不好，脫落的幾率大大增加，而磨屑又會破壞在對偶面上形成的轉(zhuǎn)移膜，在轉(zhuǎn)移膜的不斷形成和被破壞的循環(huán)中，復合材料的磨損機理已經(jīng)從粘著磨損轉(zhuǎn)變成磨粒磨損，其中還夾雜著疲勞磨損.

圖5 試樣磨損面的掃描電鏡照片（a）純環(huán)氧樹脂；（b）納米Si3 N4／短碳纖維／環(huán)氧樹脂復合材料（納米Si3 N4和短碳纖維的體積含量分別為1%，10%）；（c）納米Si3 N4／短碳纖維／環(huán)氧樹脂復合材料（納米Si3 N4和短碳纖維的體積含量分別為5%，10%）

3 結(jié) 論

在環(huán)氧樹脂基體中同時加入納米氮化硅粒子和短碳纖維時，可以獲得優(yōu)于加入單一填料時的摩擦磨損性能，其中加入體積含量為1%納米氮化硅粒子和10%短碳纖維時，其摩擦系數(shù)和比磨損率是所有復合材料中最低的.

納米粒子含量增加時，會降低納米粒子在環(huán)氧基體的均勻分散，不利于復合材料摩擦磨損性能的改善.同樣，在納米氮化硅粒子／環(huán)氧樹脂復合材料中增加短碳纖維的含量也有同樣的變化趨勢.

納米氮化硅粒子／短碳纖維／環(huán)氧樹脂復合材料的磨損機理主要是粘著磨損和磨粒磨損，摩擦過程中復合材料表面的基體和填料不斷脫落，形成的轉(zhuǎn)移膜也因而遭到不斷的破壞.

［1］孫曼靈.環(huán)氧樹脂應用原理與技術(shù)［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2002.

［2］FRIEDRICH K，LU Z，HAGER A M.Recent advances in polymer composites'tribology［J］.Wear，1995，190：139－144.

［3］董文麟.氮化硅陶瓷［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，1987.

［4］陶婉蓉，吳敘勤，張元民.高性能聚合物基復合材料［M］.上海：上?？茖W技術(shù)出版社，1989.

Sliding wear performance of epoxy filled with nano－Si3N4particles and short carbon fibers

ZHANG Ming－qiu，RONG Min－zhi，LING Cong
（Key laboratory of Polymeric Composite and Functional Materials，Ministry of Education，Zhongshan University，Guangzhou 510275，China）

For enhancing tribological performance of epoxy，the present work added nano－Si3N4particles and short carbon fiber into the resin as modifiers.On one hand，nano－Si3N4particles are good for building up transfer film during wear；on the other hand，short carbon fiber can decrease frictional force and surface temperature.Unlubricated sliding wear tests indicated that compared with the cases with individual fillers，both frictional coefficient and specific wear rate of the hybrid composites can be obviously reduced as a result of synergistic effect of the fillers.The main mechanisms lay in adhesive wear and abraision.

epoxy；nanoparticles；carbon fiber；friction and wear

TQ327.8

A

1673－9981（2010）04－0722－04

2010－10－20

章明秋（1961—），男，浙江黃巖人，教授，博士.