碳纖維復(fù)合材料摩擦性能試驗(yàn)研究

彭 赫,張錦光,葉夢(mèng)勇

(武漢理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢 430070)

碳纖維是高性能纖維中比強(qiáng)度和比模量最高的纖維，在強(qiáng)度高于鋼鐵材料數(shù)倍的情況下，質(zhì)量卻不到鋼材的1/2，具有優(yōu)異的力學(xué)性能。碳纖維一般不是單獨(dú)使用，而是以增強(qiáng)材料的形式與樹(shù)脂材料結(jié)合成為復(fù)合材料。復(fù)合材料中碳纖維發(fā)揮其優(yōu)異的機(jī)械性能承擔(dān)載荷，樹(shù)脂主要起粘接作用，以上特點(diǎn)使得碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(carbon fiber reinforced plastic,CFRP)在汽車(chē)工業(yè)、航天航空、高速軌道領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[1-4]。在一些特定的應(yīng)用領(lǐng)域，如水潤(rùn)滑軸承[5]，自行車(chē)剎車(chē)片[6]，受電弓滑板[7]等對(duì)其材料的耐磨性有著一定的要求,這對(duì)碳纖維復(fù)合材料提出了新的要求。目前碳纖維復(fù)合材料的摩擦性能研究多集中在短切纖維與碳纖維粉末作為增強(qiáng)相的復(fù)合材料中，這與上述領(lǐng)域中所應(yīng)用的連續(xù)碳纖維復(fù)合材料有所不同。因此，有必要對(duì)目前市面上生產(chǎn)數(shù)量最多的碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料摩擦性能進(jìn)行研究，探究其在各種條件下的摩擦性能表現(xiàn)。

1 試驗(yàn)研究

1.1 試驗(yàn)材料及設(shè)備

試驗(yàn)材料為某公司生產(chǎn)的碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂材料,通過(guò)預(yù)浸料熱壓罐成型工藝制備。預(yù)浸布型號(hào)為FAW200RC36，材料性能參數(shù)如表1所示，單層厚度為0.2 mm，其中樹(shù)脂的體積比為36%，鋪層角度為±45°其中，E1為縱向彈性模型；E2為橫向彈性模性；G12為剪切模型；v12為泊松比；Xt為縱向拉伸強(qiáng)度；Xc為縱向壓縮強(qiáng)度；Yt為橫向拉伸強(qiáng)度；Yc為橫向壓縮強(qiáng)度；S為層間剪切強(qiáng)度。預(yù)浸料的樹(shù)脂型號(hào)為YPH-42T，其性能參數(shù)如表2所示。

表1 FAW200RC36預(yù)浸料性能參數(shù)

表2 YPH-42T環(huán)氧樹(shù)脂性能參數(shù)

本次試驗(yàn)選用HT-1000型高溫摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行摩擦磨損試驗(yàn)，摩擦試驗(yàn)機(jī)基本工作原理為利用溫度控制爐設(shè)定爐內(nèi)溫度，在載荷控制桿上加載試驗(yàn)所需載荷，電機(jī)驅(qū)動(dòng)固定摩擦試樣的旋轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)，使其與對(duì)偶件(球或栓)進(jìn)行摩擦。采用球-盤(pán)式摩擦副，設(shè)定摩擦半徑為3 mm，測(cè)試時(shí)間為30 min。試樣磨損體積通過(guò)表面輪廓儀測(cè)量輪廓曲線進(jìn)行積分獲得，試驗(yàn)設(shè)備如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)儀器

1.2 試驗(yàn)方法和性能表征

正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)(orthogonal experimental design)是研究多因素多水平的一種設(shè)計(jì)方法，具有高效率、快速、經(jīng)濟(jì)的特點(diǎn)，并廣泛應(yīng)用于制藥，生物，機(jī)械等試驗(yàn)研究[8-9]。試驗(yàn)時(shí)采用球-盤(pán)配置的HT-1000高溫摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)測(cè)試，碳纖維復(fù)合材料試樣尺寸為Φ26mm×10mm,對(duì)磨材料為直徑6 mm的GCR15球，洛氏硬度達(dá)60～62 HRC。復(fù)合材料行業(yè)內(nèi)多采用巴氏硬度，由巴氏硬度計(jì)測(cè)量10次取平均值，為65.4HBa。試樣放置在摩擦試驗(yàn)機(jī)的旋轉(zhuǎn)臺(tái)上，由壓片固定。轉(zhuǎn)速通過(guò)旋轉(zhuǎn)臺(tái)控制，載荷通過(guò)上方對(duì)偶件施加。摩擦過(guò)程初期為復(fù)合材料表面樹(shù)脂材料與對(duì)偶球?qū)δィS著摩擦進(jìn)行，摩擦行為最終轉(zhuǎn)變?yōu)闃?shù)脂與碳纖維材料共同參與摩擦?？疾燧d荷、轉(zhuǎn)速和溫度3個(gè)因素在3個(gè)水平上對(duì)摩擦性能的影響，因此選用的正交表為L(zhǎng)9(34)。正交試驗(yàn)方案如表3所示，每個(gè)方案試驗(yàn)兩次，測(cè)試時(shí)間均為30 min。摩擦系數(shù)通過(guò)高溫摩擦試驗(yàn)機(jī)采集，采用表面輪廓儀對(duì)摩擦后的試樣進(jìn)行磨損體積探測(cè)，碳纖維復(fù)合材料的磨損率[10]為：

W=V/(S·F)

(1)

式中：W為磨損率；V為磨損體積；F為法向載荷；S為摩擦距離。

表3 正交試驗(yàn)方案

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 摩擦系數(shù)

對(duì)正交試驗(yàn)進(jìn)行方差分析，取穩(wěn)定磨損階段時(shí)摩擦系數(shù)的平均值代入計(jì)算。表4為試驗(yàn)的方差結(jié)果表，采用F檢驗(yàn)法來(lái)進(jìn)行各因素對(duì)結(jié)果的顯著性判斷。將因素A的F與顯著性水平α臨界值Fα進(jìn)行比較，若結(jié)果大于臨界值則表明因素對(duì)結(jié)果有顯著影響。對(duì)于一般的工程問(wèn)題，α通常選為0.01～0.10[11]，本文選取α=0.05，查表得F(2,11)=3.98。觀察方差分析表4可知，3個(gè)因素中，載荷與轉(zhuǎn)速對(duì)摩擦系數(shù)作用顯著，溫度不太顯著。由此可見(jiàn)在此摩擦情況下，載荷和轉(zhuǎn)速是影響碳纖維復(fù)合材料摩擦系數(shù)的重要因素。因此在原有的基礎(chǔ)上重新設(shè)計(jì)新的試驗(yàn)，重點(diǎn)研究載荷與轉(zhuǎn)速對(duì)摩擦系數(shù)的具體影響。

表4 摩擦系數(shù)方差分析表

2.1.1 載荷對(duì)摩擦系數(shù)的影響

選取試驗(yàn)編號(hào)1,試驗(yàn)條件為載荷10 N,轉(zhuǎn)速560 r/min,室溫，并在不改變轉(zhuǎn)速與溫度條件下，增加載荷到20 N,對(duì)比觀察載荷對(duì)摩擦系數(shù)的影響。不同載荷時(shí)的摩擦系數(shù)變化如圖2所示。

圖2 不同載荷下摩擦系數(shù)圖

由圖2可知，①當(dāng)載荷較低時(shí)，碳纖維復(fù)合材料經(jīng)過(guò)很短的磨合階段后便進(jìn)入了穩(wěn)定磨損階段，摩擦系數(shù)無(wú)下降趨勢(shì)，但此時(shí)摩擦系數(shù)并不穩(wěn)定，上下波動(dòng)明顯；②當(dāng)載荷較高時(shí)，試件摩擦系數(shù)經(jīng)過(guò)磨合階段后有明顯下降，下降到一定數(shù)值后趨于穩(wěn)定。并且與低載荷相比，摩擦系數(shù)波動(dòng)較小。③低載荷與高載荷相比，整體摩擦系數(shù)較高，即隨著載荷增加，摩擦系數(shù)下降。

2.1.2 轉(zhuǎn)速對(duì)摩擦系數(shù)的影響

選取試驗(yàn)編號(hào)4,試驗(yàn)條件為載荷15 N,轉(zhuǎn)速560 r/min,溫度60 ℃,在不改變載荷與溫度條件下，改變轉(zhuǎn)速到1 120 r/min，對(duì)比觀察轉(zhuǎn)速對(duì)摩擦系數(shù)的影響。不同轉(zhuǎn)速時(shí)摩擦系數(shù)的變化曲線如圖3所示。

圖3 不同轉(zhuǎn)速下摩擦系數(shù)圖

由圖3可知，①當(dāng)轉(zhuǎn)速較低時(shí)，摩擦系數(shù)迅速到達(dá)一較高值，此后摩擦系數(shù)雖然有所波動(dòng)但整體趨于穩(wěn)定，無(wú)上升或下滑趨勢(shì)。②當(dāng)轉(zhuǎn)速較高時(shí)，摩擦系數(shù)跑合階段的時(shí)間較低轉(zhuǎn)速有明顯的增加，約在8 min時(shí)結(jié)束，此時(shí)摩擦系數(shù)達(dá)到峰值。而后摩擦系數(shù)下降，約在20 min時(shí)進(jìn)入穩(wěn)定磨損階段，此后摩擦系數(shù)波動(dòng)小，整體趨于穩(wěn)定。③高轉(zhuǎn)速整體摩擦系數(shù)都低于低轉(zhuǎn)速，即隨著轉(zhuǎn)速的提高，摩擦系數(shù)下降。

2.2 磨損率

采用相同的試驗(yàn)方法得到磨損率方差分析表，如表5所示。由表5可知，與摩擦系數(shù)不同，轉(zhuǎn)速對(duì)于磨損率有著最顯著的影響，同時(shí)溫度作用顯著程度上升，由此可見(jiàn)溫度對(duì)于磨損率同樣有著相當(dāng)重要的影響。由于此前加做了對(duì)于載荷與轉(zhuǎn)速的試驗(yàn)，因此只需要加做溫度影響的試驗(yàn)。選取試驗(yàn)編號(hào)5，試驗(yàn)條件為載荷15 N,轉(zhuǎn)速840 r/min,溫度100 ℃，在不改變載荷與轉(zhuǎn)速條件下，改變溫度到室溫，對(duì)比觀察溫度對(duì)磨損率的影響。

表5 磨損率方差分析表

2.2.1 載荷對(duì)磨損率的影響

不同載荷下的磨損率如圖4所示。從圖4可知，磨損率隨著載荷的增大而上升，20 N相比10 N磨損率上升了26.1%。推斷這主要是由于試樣為預(yù)浸料鋪放而成，預(yù)浸料中碳纖維束編織紋理的作用造成表面凹凸不平，對(duì)偶件與試樣實(shí)際接觸面積與表觀接觸面積有較大差異。當(dāng)載荷較低時(shí)，對(duì)偶件鋼球?qū)υ嚰毫^小，摩擦接觸面積較小，表面的微觀形態(tài)為數(shù)量較少的微凸體接觸。由于粗糙度的差異，實(shí)際接觸面積小于理論接觸面積，接觸多為彈性接觸，故樹(shù)脂塑性變形不大。摩擦過(guò)程中的剪切力較小，環(huán)氧樹(shù)脂與少量暴露出來(lái)的碳纖維增強(qiáng)體共同承擔(dān)剪切作用，因而磨損量較小。

圖4 不同載荷下的磨損率

2.2.2 轉(zhuǎn)速對(duì)磨損率的影響

不同轉(zhuǎn)速下的磨損率如圖5所示。從圖5可知，隨著轉(zhuǎn)速的提升，磨損率增大，轉(zhuǎn)速提升使磨損率上升了38.9%。轉(zhuǎn)速對(duì)復(fù)合材料磨損率的影響主要在于轉(zhuǎn)速不同時(shí)摩擦表面聚集的摩擦熱不同。轉(zhuǎn)速增大時(shí)，機(jī)械能轉(zhuǎn)變成的摩擦熱在摩擦表面快速聚集，由于樹(shù)脂材料的導(dǎo)熱性較差，使得摩擦表面溫度很高，表面局部地區(qū)出現(xiàn)閃溫。閃溫的溫度已經(jīng)超過(guò)了環(huán)氧樹(shù)脂的熔點(diǎn)。高溫使得復(fù)合材料表面樹(shù)脂熔融，從而使得抵抗變形能力減弱。

圖5 不同轉(zhuǎn)速下的磨損率

2.2.3 溫度對(duì)磨損率的影響

不同溫度下的磨損率如圖6所示。從圖6可知，磨損率隨著溫度上升而增加，100 ℃相較于室溫磨損率上升了26.9%。推斷原因是由于溫度較高時(shí)，樹(shù)脂與碳纖維熱膨脹系數(shù)的差異會(huì)使得二者變形程度不同[12]，從而降低碳纖維與樹(shù)脂的結(jié)合程度。另一方面100 ℃已經(jīng)靠近環(huán)氧樹(shù)脂的玻璃化溫度[13]，環(huán)氧樹(shù)脂玻璃化后分子鏈段運(yùn)動(dòng)加劇，樹(shù)脂材料發(fā)生軟化，流動(dòng)性增強(qiáng)，造成復(fù)合材料的粘彈性程度增大，因此粘著磨損增多，磨損加劇。

圖6 不同溫度下的磨損率

3 結(jié)論

(1)在載荷、轉(zhuǎn)速與溫度3個(gè)因素中，載荷與轉(zhuǎn)速對(duì)碳纖維復(fù)合材料摩擦系數(shù)影響顯著，而溫度作用不明顯；三者均對(duì)磨損率有顯著影響。

(2)隨著載荷與轉(zhuǎn)速的上升，碳纖維復(fù)合材料摩擦系數(shù)出現(xiàn)一定程度的下降；對(duì)磨損率而言，載荷、轉(zhuǎn)速和溫度三者的增大均會(huì)使磨損率增大。

(3)載荷對(duì)磨損率影響主要源自接觸面積的增大，造成塑性變形增多；轉(zhuǎn)速對(duì)磨損率的影響原因主要是試樣表面熱量的快速聚集，樹(shù)脂出現(xiàn)軟化熔融；溫度對(duì)磨損率影響的原因是溫度造成樹(shù)脂機(jī)械性能下降，層間剪切強(qiáng)度降低。