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複合材料的流變行爲、力學性能和相態學研究

放大字體  縮小字體 發布日期:2019-03-08  浏覽次數:36 選擇視力保護色:

[摘要]  中華不鏽鋼網進行報道:SiG/Cu複合材料摩擦磨損行爲研究湛永鍾,張國定(上海交通大學金屬基複合材料國家重點實驗室,上海20

  中華不鏽鋼網進行報道:SiG/Cu複合材料摩擦磨損行爲研究湛永鍾,張國定(上海交通大學金屬基複合材料國家重點實驗室,上海200030)察了複合材料在幹摩擦條件下同GCr15鋼對摩時的摩擦磨損性能;采用掃描電子顯微鏡觀察分析了複合材料磨損表面和截面形貌;采用X射線能量色散譜儀分析了複合材料磨損表面元素組成。結果表明,SiC顆粒作爲增強相可以起到承載作用、減輕基體同偶件之間的粘著作用以及使基體産生塑性變形,從而顯著改善複合材料的耐磨性能。但由于硬質SC顆粒的犁削作用以及複合材料磨損表面高硬度機械混合層的形成,同Cu基體相比,複合材料的摩擦系數有所增大。SiCp/Cu複合材料主要呈現磨粒磨損和源于亞表層裂紋擴展的剝層磨損特征,其磨損表面形成的富Fe機械混合層對改善複合材料的耐磨性能具有重要影響。
  
  爲了滿足電子、航天及汽車等高新技術領域的發展需要,必須加強具有優良綜合性能的新型材料的研制開發工作。顆粒增強金屬基複合材料具有良好的耐磨性能和高溫力學性能,且制備工藝簡單成本較低,因此近年來得到了迅速發展。顆粒增強銅基複合材料既可發揮銅良好的導電導熱性能和耐蝕性,又可因增強顆粒的引入而具備更好的力學性能和耐磨性能,可望作爲具有良好導電導熱和耐磨性的功能材料得到廣泛應用。但目前關于顆粒增強銅基複合材料摩擦磨損行爲的研究報道較少,難以滿足其應用推廣需要。爲此,本文作者采用粉末冶金結合熱擠壓工藝制/Cu複合材料,並探討了該複合材料的摩擦磨損性能。
  
  1實驗部分試驗所用基體原料爲粒度小于48m純度高于99.7%的電解銅粉;增強物SiC顆粒平均尺寸分別爲25Mm,7.0Mm14.0Mm20.0Mm和40.0Mm,對于平均直徑14.0Mm的SiC,分別按體積分數5%,10%,15%,20%與電解銅粉進行配比;在10%的體積分數下,分別采用SiC作爲增強物制備複合材料;同時采用同樣工藝參數制備純銅樣品以進行對比分析。將不同比例的電解銅粉和SC在高速球磨機內混合均勻後冷壓成坯,然後在820°C的分解氨氣氛中燒結,最後熱擠壓成型。
  
  在MM-200型摩擦磨損試驗機上進行幹摩擦磨損試驗,複合材料塊試樣的尺寸爲6mriK7mriK16mm,試驗前將其7mnK16mm的工作面用800砂紙打磨至表面粗糙度2. 0Mm,並用丙酮超聲清洗;偶件爲40mm的GCr15鋼環(硬度62±2HRC);試驗條件:滑動速度0.42m/s,載荷20N和2-90測定複合材料試塊的磨痕寬度,並轉換爲磨損體積損失和磨損率。采用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察複合材料磨損表面形貌和亞表層組織,用X射線能量色散譜儀分析磨損表面元素組成,用FischerScope力學探針測量機械混合層及複合材料的顯微硬度。
  
  2結果與討論2.1SiC含量對複合材料摩擦磨損性能影響表1列出了不同SC顆粒含量的複合材料的宏觀硬度。可見隨著SiC顆粒含量增加,複合材料的宏觀硬度有所提高。
  
  示出了複合材料磨損率隨SiCp體積分數變化的關系曲線以及摩擦系數隨滑動距離變化的關系曲線。可以看出,SCp/Cu複合材料的磨損率明顯比Cu的低,且隨著SC含量的增加,複合材料的磨損率逐漸降低,這同其相應的硬度變化趨勢數。
  
  中華不鏽鋼網進行報道:同SiC顆粒含量複合材料的宏觀硬度Table1Macro-hardnessof恰好相反。此外,在相對較高的載荷下,SiC增強相抗磨效果更好。另一方面,盡管引入SiCp增強相使得摩擦系數有所增大,但複合材料的摩擦系數隨滑動距離的增加變化平緩,而Cu基體的摩擦系數則隨滑動距離的增加而緩慢增大,且當滑動距離超過1示出了Cu及10%SiC~Cu複合材料的磨損表面形貌SEM照片。可以看出,純銅試樣磨損表面呈現嚴重粘著和塑性變形迹象,並存在粘著剝落坑;而SCp/Cu複合材料磨損表面的粘著和塑性變形迹象較輕微,並存在平行于滑動方向的犁削溝槽見(b),呈現磨粒磨損特征。
  
  示出了複合材料磨損表面元素組成的EDAX圖譜。可見除複合材料本身含有的CuSi及C等元素之外,複合材料磨損表面還富含Fe和0,這說明偶件表面的Fe通過氧化作用而轉移到了複合材料磨損表面。銅與鋼的粘著作用較強,在鋼環的反複碾壓和犁削作用下,Cu的磨損次表層産生較大的應變梯度,並通過裂紋形核、擴展而引發剝層磨損,進而導致銅的片狀剝落並形成大塊片狀磨屑,因此純銅試樣磨損率較大。反複的摩擦作用還導致樣品表面的溫度逐漸升高,使得銅試樣磨損表面發生軟化和塑性變形。而SC顆粒增強相能提高複合材料的流變應力,減輕塑性變形,從而有利于提高複合材料的抗磨性能。同時,高溫穩定性良好的SC顆粒增強相可使後,Cu的系數相繼超過2種複合丨材丨料的摩擦系趾合材料在較高溫度下仍保持較高的強度遵而減輕其同鋼環的粘著作用,這也有利于提高複合材料的抗磨性能。
  
  2.2SiC粒度對磨損性能的影響示出了不同粒度SiC顆粒增強銅基複合材料的磨損率隨SC顆粒粒度變化的關系曲線。可見:在20N載荷下,隨著SC顆粒尺寸增大,複合材料的磨損率逐漸降低;當載荷增大至70N時,複合材料的磨損率先隨SC粒度增大逐漸減小,當SC平均直徑達到40.0m時,其磨損率則有所增大。從其磨損表面形貌的SEM照片觀察發現:以粒度較小(25蔔m)的SC顆粒作爲增強相的複合材料磨損表面存在邊迹象;而SiC粒度較大(2Q0Mm)的複合材料磨損表面犁溝較淺且不連續,塑性變形程度較輕小顆粒sc鑲嵌于基體中的深度較小,在偶件表面微突體的犁削作用下較易隨基體一起發生犁削脫落並形成磨屑,複合材料磨屑可粘附于鋼環表面,從而使鋼複合材料之間的摩擦在一定程度上轉變爲複合材料複合材料之間的摩擦,結果使得摩擦副接觸表面之間的粘著傾向加強,不利于形成連續的機械混合層(MML),因而磨損率偏高。隨著增強顆粒粒度的增大,其鑲嵌于基體的深度增加,對基體的保護作用以及抵抗偶件表面犁削作用的能力加強,因而耐磨性得以提高。然而,顆粒的臨界缺陷尺寸與其直徑成正比,在同樣的載荷條件下大顆粒發生開裂的可能性更大,反而使其承載能力降低;而開裂脫落的SC顆粒進入摩擦副接觸表面可引起三體磨損。因此,在較高載荷下,較大顆粒SC(40.0m)增強複合材料耐磨性能反而有所降低。
  
  23複合材料的磨損機理在相對滑動過程中,複合材料表層在偶件表面微突體的犁削作用下可以發生犁削脫落,暴露于複合材沿―較深滕續的犁溝並呈現的塑性c變形表面的硬質函C顆在法向喊作用下使偶―環表面被犁削,並産生富鐵微粒。這些富鐵微粒同複合材料磨屑在摩擦副接觸表面之間混合,並在外力的反複作用下被壓緊,從而在複合材料表面形成致密、富鐵的紅褐色層狀機械混合層。SCp/Cu複合材料同GCr15鋼在幹摩擦條件下對摩時的機械和熱效應較強,從偶件及複合材料表面脫落的Fe或Cu微粒可以被氧化,因此MML中的Fe和Cu可能以單質或氧化物形態存在。示出了SiCp/Cu複合材料磨損剖/Cu複合材料磨損剖面組織形貌SEM照片隨咨C顆粒尺寸的增大而逐漸提高當顆粒度4lishg面組織形貌SEM照片。可見磨損表面存在厚度不一的機械混合層。顯微硬度測試結果表明,在70N載荷下,含1(%SC的複合材料試樣表面機械混合層的硬度高達4.2GPa,相當于複合材料本身顯微硬度的5倍左右。機械混合層使得複合材料4鋼之間的接觸轉變爲MML4M的接觸,從而顯著改善複合材料的耐磨性能。根據曆8此7等建立的穩態摩擦模型,摩擦系數與磨損表層的剪切強度成正比。在穩態磨損階段,複合材料表面形成了硬度及剪切強度很高的MML層,因而摩擦系數增大。
  
  對于均聚PP多采用彈性體共混改性。乙丙塑料膠,特別是三元乙丙橡膠(EPDM)是聚丙烯增韌改性最廣泛使用的材料,而關于其熔體流變行爲的研究報道不多。流變性能是材料加工的理論基礎,因此筆者對PP/納米Si2複合材料的流變行爲、力學性能和相態學進行了系統研究,旨在爲複合材料的組成和加工提供理論依據。
  
  1.從可以看出,隨著納米SiOz的加入,使複合材料的n值明顯下降,這一現象是和材料的結構變化分不開的。PP/納米SiOz複合材料中由于納米粒子的表面能大、活性高,可與PP界面反應,改變了分子鏈的形態,因而在假塑性流動出現之後,含納米SiOz的PP熔體非牛頓性增強,因而n值下降。
  
  在230°C,2160g負荷下測得的PP/納米Si2複合材料的熔體流動速率(MR)如所示。從中可以看出,隨著納米Si2含量的增加,熔體流動速率成下降趨勢,且在納米Si2填加量較少時,MR下降較小,隨著納米Si2含量的增加,MR下降趨勢變大。這說明當納米Si2含量增加時,PP/納米Si2複合材料的熔體粘度增大趨勢變得加快,這與前面的結2.3PP納米SiOz複合材料熔體的彈性效應爲在180°C、不同剪切應力下的膨脹比隨納米SiOz含量的變化情況。從可以看出,無論剪切應力大小,複合材料組成如何,擠出物都有不同程度的膨大現象(Bams),這是複合材料熔體流動過程中彈性行爲的反映。一方面,在恒定剪切應力下,膨脹比隨納米SiOz含量的增加而減小,這是由于隨著納米SiOz含量的增大,熔體粘度也增大,PP分子鏈在毛細管中發生取向,而出毛細管後解取向困難造成的。另一方面,從中還可以看出,隨剪切應力的增大,膨脹比呈增大趨勢,造成這種現象的原因是隨著剪切應力的增大,熔體貯存的彈性勢能和正應力差都增大,故膨脹比也增大。因爲高分子彈性勢能的恢複和在流動過程中産生的正應力差是産生出口脹大的原因1131. 2.4 PP/納米Si2複合材料的力學性能爲納米Si2用量對複合材料力學性能的影響關系。從a中可看出,隨納米Si2用量增加,PP/納米Si2複合材料的缺口沖擊強度有較明顯的提高。b所示爲複合材料的拉伸強度與納米Si2加入量的關系,總體看來,體系的拉伸強度變化不大。
  
  造成這種現象的原因在于:(1)由于納米Si2粒徑小、比表面積大、活性高,與基體樹脂有較大的接觸面積並與基體粘合牢固;(2)Si2粒徑越小,曲率越大,對應力的分散就越好;3)當複合材料受到外力沖擊時,納米Si2與PP分子鏈形成的物理三維網絡會起到應力集中作用,這些應力集中點會導致粒子周圍樹脂發生大的塑性變形和銀紋效應而吸收沖擊能。同時,從圖中可以看出,當納米Si2添加量超過4%時,複合材料的沖擊強度有較大幅度的下降,這種現象可以理解爲:納米級粒子增多後,分散更加困難,易産生粒子“團聚”現象。由于“團聚”粒子的表面缺陷,容易引起基體樹脂損傷而産生應力集中。另外,隨納米Si2加入,物理交聯點增多,複合材料剛性增強,沖擊強度下降。
  
  2.5PP/納米Si2複合材料的相態學爲複合材料V型缺口沖擊斷面的掃描電鏡照片。從圖中可以看出,純PP(a)的斷裂面相對比較光滑,僅有小的塑性變形,說明其韌性很差。隨著納米Si2的加入複合材料的沖擊斷面比純PP的變得粗糙,而且有較大的塑性形變,說明其韌性比純PP有了顯著的改善,其中尤以PP/4%納米Si2最PP/納米Si2複合材料的SEM照片所示爲PP/納米Si2複合材料的偏光顯微鏡照片,由圖可見,純PP的球晶粗大,結構完整,球晶與球晶之間的邊界清晰,隨著2%納米Si2的加入,球晶的尺寸急劇變小,球晶的結構也很不完整,球晶邊界變得非常模糊。當加入4%的納米Si2時,晶體密度顯著增大,晶粒變得更加細小,而小的晶粒尺寸有利于提高材料的沖擊強14,從而進一步證明了納米Si2的加入對PP基體起到了增韌改性作用。
  
  3結論(1)PP/納米Si2複合材料屬假塑性流體,在PP中加入納米Si2後熔體的表觀粘度增大,非牛頓指數和熔體流動速率均隨納米Si2含量的增加而減小;在恒定剪切應力下,膨脹比隨納米Si2含量的增加而減PP/納米Si2複合材料的POM照片(a)純(2)納米級Si2對PP有一定的增韌作用,而對材料拉伸性能幾乎沒有影響,在其用量爲4%時複合材料綜合性能最佳。PP/納米Si2的掃描電鏡照片和偏光顯微鏡照片則進一步證明了納米Si2的加入導致了PP球晶尺寸減小,是提高PP沖擊強度的原因之一。中華不鏽鋼網進行報道

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