钢背衬碳纤维织物/环氧复合材料干摩擦特性研究

　　以纤维织物作表面层,金属或者非金属作基体,通过粘结剂粘结而形成的纤维织物自润滑复合材料衬层,具有承载能力高、耐冲击、不易破裂与剥离等特点。且由于其组分材料的自润滑性,因而又具有摩擦因数低、耐磨寿命长等良好的摩擦学特性,是近年来发展起来的一种具有很高使用价值的新型高性能自润滑复合材料。编织PTFE自润滑重载关节轴承已在航空、国防及磁浮列车中获得了良好的应用[1]。碳纤维质量轻、强度高、模量高、耐高温、耐腐蚀且摩擦因数小,具有自润滑性。对于那些在低速重载、冲击载荷或大应力作用下工作的机械零部件,碳纤维织物复合材料同样是一种很有前景的自润滑衬层材料[2-4]。但目前关于碳纤维织物复合材料用作自润滑衬层方面的研究报导却较少,如何获得具有低摩擦因数、高耐磨性的碳纤维织物复合材料,衬层摩擦磨损机制等还有待于进一步研究。本文作者讨论了钢基体碳纤维织物/环氧(CF/EP)复合材料衬层在环2环端面干摩擦状态下的摩擦磨损性能,考察了MoS2与石墨及其配比、衬层厚度、载荷对衬层干摩擦性能的影响,并对其摩擦磨损机制进行了分析。

　　1　实验部分

　　1·1　原料和样品制备

　　碳纤维织物采用美国HEROMAN公司型号为HMT72300的产品,每平方米质量为300 g,厚度0·167 mm,碳丝类型Toray T700Sc 12K,抗拉强度4 478 MPa,弹性模量2·2×105MPa,伸长率2·9%。环氧树脂作粘结剂,配制活性稀释剂及固化剂。MoS2与石墨粉均采用00#超细粉,粒度5μm。碳纤维织物先经丙酮等清洗处理,烘干后备用。45#钢基材表面分别用280#和350#砂纸打磨至表面粗糙度Ra0·45μm,并用丙酮清洗。所有微米填料均按一定的质量分数加入粘结剂中,用超声波混合后用搅拌器搅拌均匀。将碳纤维织物在含填料的粘结剂中浸渍后逐层平铺于基体钢环试样上并压制成型, 80℃固化2 h,室温放置24 h,制得钢背衬CF/EP自润滑衬层试验样品。

　　1·2　性能测试及表面分析

　　摩擦磨损性能评价在MPX22000型摩擦磨损试验机上进行,双环接触端面摩擦磨损方式,实验原理如图1所示。

　　下试样为45#钢背衬CF/EP复合材料衬层试环,尺寸为32mm×22mm×6mm,初始衬层对磨厚度1·5 mm,作为对偶件的上环试样采用经淬火处理的45#钢环,硬度HRC 45,尺寸为34mm×20mm×6mm。摩擦磨损试验前,上环试样表面依次用350#、700#、900#砂纸打磨后抛光,然后用丙酮清洗,表面粗糙度Ra0·05μm,下环试样用900#砂纸打磨并抛光。作钢背CF/EP衬层在干摩擦条件下的摩擦磨损实验,转速为345 r/min。实验过程中用测温仪记录不同对磨时间段下环钢背的温度,用测力传感器动态检测摩擦过程产生的摩擦力矩,由公式μ=M /(pR)计算得到摩擦因数,式中M为摩擦力矩, p为法向载荷, R为对磨环试样摩擦半径,本实验中取R=13mm。用精度0·1 mg的电子天平秤量衬层试环及偶件的失重量,以比较不同衬层材料的磨损量。摩擦磨损试验结束后,用扫描电子显微镜及金相显微镜对碳纤维织物复合材料磨损表面和偶件表面进行观察和分析。