曹鳳香 王亞楠 吳坤堯

(西安航空學(xué)院材料工程學(xué)院 陜西西安 710000)

碳纖維(CF)由于具有高的比強(qiáng)度、比模量和優(yōu)異的潤(rùn)滑性,常被用作各種聚合物的增強(qiáng)材料[1-2]。碳纖維/聚合物復(fù)合材料，由于其具有低的密度、高的比強(qiáng)度、良好的自潤(rùn)滑性等特點(diǎn)，而被作為密封件、減震墊、齒輪、軸承等廣泛應(yīng)用在航空航天領(lǐng)域[3-6]。近年來(lái)，隨著科技的發(fā)展，對(duì)應(yīng)用于苛刻環(huán)境下(高承載、高速度)的碳纖維/聚合物復(fù)合材料提出了更高的要求。然而，由于碳纖維表面石墨化的結(jié)構(gòu)，使得纖維表面惰性比較大、表面能低、有機(jī)官能團(tuán)少，從而使得碳纖維與聚合物基體的界面結(jié)合性比較差。差的界面結(jié)合極易引起CF界面的應(yīng)力集中，誘發(fā)裂紋產(chǎn)生而導(dǎo)致摩擦元件失效，引發(fā)一系列嚴(yán)重問(wèn)題。因此，優(yōu)化復(fù)合材料的界面性質(zhì)，獲得高強(qiáng)、高耐磨的碳纖維/聚合物復(fù)合材料，對(duì)于滿足航空航天等工業(yè)領(lǐng)域苛刻條件下潤(rùn)滑材料的需求具有重要意義。

許多研究人員通過(guò)在碳纖維/樹(shù)脂復(fù)合材料中引入納米顆粒，構(gòu)筑微納多尺度共增強(qiáng)復(fù)合材料，來(lái)改善復(fù)合材料的界面強(qiáng)度和韌性，同時(shí)分散碳纖維所承受的應(yīng)力，獲得了高強(qiáng)、高耐磨碳纖維/樹(shù)脂復(fù)合材料。文獻(xiàn)[7-9]系統(tǒng)地研究了納米SiO2和TiO2改善碳纖維/樹(shù)脂復(fù)合材料耐磨性的機(jī)制，認(rèn)為由于納米顆粒有效地分散了碳纖維所承受的應(yīng)力，保護(hù)了碳纖維與聚合物基體間的界面，避免了摩擦磨損過(guò)程中碳纖維的拔出。文獻(xiàn)[10-13]在此方面也做了大量工作，同樣發(fā)現(xiàn)納米顆粒能夠有效降低碳纖維周圍的應(yīng)力集中，提高碳纖維/樹(shù)脂復(fù)合材料的減摩抗磨性能。但是目前對(duì)于納米顆粒對(duì)碳纖維/超高分子量聚乙烯復(fù)合材料摩擦學(xué)性能和力學(xué)性能影響的研究很少。本文作者利用熱壓成型的方法制備了納米顆粒TiO2和SiO2增強(qiáng)的碳纖維/超高分子量聚乙烯復(fù)合材料，考察了納米顆粒對(duì)碳纖維/復(fù)合材料力學(xué)和摩擦學(xué)性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)用超高分子量聚乙烯(UHMWPE)為市售TiconaGUR4150粉末，其相對(duì)分子質(zhì)量約為9.2×106，平均粒徑為120 μm；二氧化硅(SiO2)納米顆粒由宣城金瑞新材料有限公司提供，平均粒徑為30 nm；二氧化鈦(TiO2)納米顆粒由先豐納米材料有限公司提供，平均粒徑為15～25 nm;碳纖維直徑為7 μm，密度為1.77 g/cm3。

1.2 樣品制備

采用熱壓燒結(jié)的方法制備復(fù)合材料。在復(fù)合材料中碳纖維的體積分?jǐn)?shù)為10%，納米顆粒SiO2、TiO2體積分?jǐn)?shù)為1%。首先采用機(jī)械混合各種原料，然后在溫度200 ℃、燒結(jié)壓力10 MPa下燒結(jié)，保溫時(shí)間為1 h。待燒結(jié)結(jié)束，冷卻后取出樣品，就得到所需的復(fù)合材料。

1.3 性能測(cè)試

復(fù)合材料的摩擦磨損實(shí)驗(yàn)在UMT-5型球盤式摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，上試樣為直徑為9 mm 的GCr15鋼球,下試樣為所制備的聚合物復(fù)合材料。每次實(shí)驗(yàn)前，需要對(duì)上下試樣用丙酮進(jìn)行清洗以除去表面的雜質(zhì)。摩擦實(shí)驗(yàn)條件為：載荷50 N，振幅0.5 cm，頻率2 Hz，測(cè)試時(shí)間20 min。摩擦因數(shù)曲線可以由摩擦試驗(yàn)機(jī)直接得出，磨損率采用三維輪廓儀進(jìn)行測(cè)定。磨損率K(mm3/N·m)的計(jì)算公式為

K=ΔV/(FNL)

式中：ΔV為磨損體積， mm3；FN為載荷，N;L為總行程，m。

試樣力學(xué)性能測(cè)試按照GB/T 9341—2008進(jìn)行，試樣長(zhǎng)度為(80±0.5) mm，寬度為(10.0±0.5) mm，厚為(4.0±0.5) mm。彎曲試樣跨距為64 mm，彎曲速率為10 mm/min，彎曲強(qiáng)度按下式計(jì)算：

式中:σf為試樣彎曲強(qiáng)度，MPa；pf為最大載荷，N；S為試樣跨距，mm；d為試樣厚度，mm，b為試樣寬度，mm。

拉伸實(shí)驗(yàn)按照GB/T 1040.2/1A—2006進(jìn)行，試樣的長(zhǎng)度為(80±0.5) mm，寬度為(10.0±0.5) mm，厚為(4.0±0.5) mm的啞鈴型。拉伸試樣標(biāo)距為25 mm，拉伸速率為50 mm/min，拉伸強(qiáng)度根據(jù)儀器測(cè)定的最大力值計(jì)算得出。計(jì)算公式如下：

式中:σt為試樣拉伸強(qiáng)度，MPa；pt為最大載荷，N；b為試樣寬度，mm；d為試樣厚度，mm。

復(fù)合材料的邵氏硬度采用江都明珠測(cè)試機(jī)械廠生產(chǎn)的邵氏硬度計(jì)測(cè)量。復(fù)合材料斷面和磨痕表面形貌采用掃描電子顯微鏡觀察。為了提高SEM觀察的清晰度，在測(cè)試之前，在聚合物樣品表面鍍一薄層金來(lái)增加樣品的導(dǎo)電性。

2 結(jié)果與討論

2.1 力學(xué)性能

3種UHMWPE基復(fù)合材料的力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。可以看出，納米顆粒SiO2和TiO2的加入提高了碳纖維/超高分子量聚乙烯復(fù)合材料的硬度；另外，加入納米SiO2和TiO2使得復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度都有了一定程度的提高，這說(shuō)明納米顆粒的加入有利于復(fù)合材料界面性能的提高。

表1 3種UHMWPE基復(fù)合材料的力學(xué)性能

復(fù)合材料硬度的提高有利于改善其抗承載和抗變形能力，界面性能的提高有利于摩擦過(guò)程中的摩擦力從聚合物基體向纖維的傳遞，兩者均可改善復(fù)合材料的耐磨性。

2.2 斷裂形貌分析

圖1示出了3種復(fù)合材料的斷裂形貌。可以看出，當(dāng)復(fù)合材料中無(wú)納米顆粒時(shí)，復(fù)合材料斷裂表面中斷裂纖維的表面相對(duì)比較光滑。對(duì)纖維表面進(jìn)行放大，可以看到有很少量的樹(shù)枝狀的UHMWPE樹(shù)脂存在。這說(shuō)明碳纖維和UHMWPE之間的界面結(jié)合較弱，在拉伸的情況下，碳纖維很容易從UHMWPE樹(shù)脂中拔出，并且纖維表面相對(duì)比較光滑。當(dāng)向復(fù)合材料中加入納米SiO2和TiO2顆粒之后，復(fù)合材料斷裂表面中碳纖維表面樹(shù)枝狀的UHMWPE樹(shù)脂含量變得更多。這說(shuō)明納米顆粒的加入使得CF與UHMWPE之間的結(jié)合變得更好，使得加載在樹(shù)脂上的力更有效地傳遞到纖維上，從而提高了復(fù)合材料的力學(xué)性能。

圖1 UHMWPE基復(fù)合材料的斷裂形貌

2.3 摩擦因數(shù)與磨損率

圖2示出了3種UHMWPE基復(fù)合材料摩擦因數(shù)隨著時(shí)間的變化曲線?？梢钥闯?，無(wú)納米顆粒的復(fù)合材料的摩擦因數(shù)變化較大，曲線也不光滑；當(dāng)加入納米顆粒之后，摩擦因數(shù)的曲線變得更為平滑。這說(shuō)明納米顆粒SiO2和TiO2的加入可以使得復(fù)合材料的摩擦因數(shù)曲線變得更為平滑。

圖2 3種UHMWPE基復(fù)合材料摩擦因數(shù)隨著時(shí)間變化的曲線

表2給出了通過(guò)三維超景深顯微鏡測(cè)得的復(fù)合材料的摩擦因數(shù)和磨損率?？梢钥闯?，不含納米顆粒的復(fù)合材料的摩擦因數(shù)和磨損率最高，當(dāng)加入納米顆粒之后，復(fù)合材料的磨損率大幅降低，摩擦因數(shù)有所下降，這說(shuō)明納米顆粒的加入可以明顯地提高復(fù)合材料的耐磨性。由前文力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果可知，當(dāng)加入納米顆粒之后復(fù)合材料的力學(xué)性能有所提高，CF和UHMWPE之間的界面結(jié)合也變得更好，這有利于摩擦力從樹(shù)脂基體向增強(qiáng)纖維的傳遞，從而提高了復(fù)合材料的摩擦學(xué)性能[14]。此外，加入納米SiO2和TiO2后復(fù)合材料的硬度提高，因而復(fù)合材料的抗承載能力提高，從而提高了復(fù)合材料的耐磨性。

表2 3種UHMWPE基復(fù)合材料的平均摩擦因數(shù)和磨損率

3種復(fù)合材料中，添加納米TiO2的復(fù)合材料具有最佳的耐磨性，這是因?yàn)槠淞W(xué)性能最好，硬度最高。由材料的三維超景深顯微鏡分析結(jié)果(如圖3所示)，同樣可以看出，不含納米顆料的復(fù)合材料的磨損最嚴(yán)重，而加入TiO2的復(fù)合材料的磨損是最小的。

圖3 UHMWPE基復(fù)合材料的超景深顯微鏡

2.4 磨痕表面形貌

圖4示出了3種UHMWPE基復(fù)合材料的磨痕表面形貌。可以看到，不含納米顆料的復(fù)合材料的磨痕表面有很多裂紋產(chǎn)生(如圖4(a)所示)。通常情況下，復(fù)合材料中的硬質(zhì)顆粒碳纖維是應(yīng)力集中的地方，在大的載荷和速度作用下，碳纖維周圍容易形成應(yīng)力集中從而形成微裂紋。這表明CF/UHWMPE復(fù)合材料的主要磨損機(jī)制為嚴(yán)重的塑性變形。如圖4(b)、(c)所示，當(dāng)向復(fù)合材料中加入納米顆粒SiO2和TiO2之后，磨痕表面的微裂紋變少。從前面的力學(xué)和斷面形貌分析可知，納米顆粒的加入使得碳纖維和樹(shù)脂之間的界面結(jié)合變得更好，這有利于摩擦過(guò)程中應(yīng)力的傳遞，從而降低了在反復(fù)應(yīng)力作用下碳纖維與樹(shù)脂之間的剝離[15]。同時(shí)加入的納米顆粒分布在碳纖維的周圍，可以承擔(dān)部分施加在碳纖維上的應(yīng)力，從而使得碳纖維周圍的微裂紋降低。因此，加入納米顆粒后復(fù)合材料的磨損機(jī)制變?yōu)檩p微的塑性變形。

圖4 3種UHMWPE基復(fù)合材料磨痕表面的SEM圖

3 結(jié)論

(1)納米顆粒SiO2和TiO2的加入提高了CF/UHMWPE復(fù)合材料的力學(xué)性能，改善了CF和UHMWPE的界面結(jié)合，其中加入TiO2的CF/UHMWPE復(fù)合材料的力學(xué)性能最好。

(2) 納米顆粒SiO2和TiO2的加入降低了CF/UHMWPE復(fù)合材料的摩擦因數(shù)，明顯地改善復(fù)合材料的耐磨性，其中加入TiO2的CF/UHMWPE復(fù)合材料的耐磨性最好。

(3)加入納米顆粒后CF/UHMWPE復(fù)合材料的磨損機(jī)制由嚴(yán)重的塑性變形變?yōu)檩p微的塑性變形。