曹鳳香，王亞楠

(西安航空學院 材料工程學院，西安 710077)

0 引言

和傳統的金屬和陶瓷材料相比較而言，高分子材料的分子結構比較特殊，這使得高分子材料不僅具有密度小、彈性高、韌性好、絕緣、耐熱性較好、耐腐蝕性較好等特點，而且還具有減摩抗磨性能良好、摩擦系數低等優(yōu)點。因此，高分子材料也廣泛用于制造摩擦零件[1-3]。盡管如此，因聚合物材料的承載能力差，易于磨損，單獨使用時摩擦學性能較差，不能滿足對于一些重載的摩擦元件，比如船舵、起重機、閥門及導向裝置中的重載平面軸承的使用要求。

纖維織物具有整體性和力學結構合理兩大特點，其增強的聚合物基復合材料被賦予高強度和剛度以及良好的整體性能，因此被成功地用作承受較寬范圍的接觸壓力的重載摩擦副材料[4-9]。然而，單一纖維織物復合材料的耐磨性低，所以需要在復合材料中添加潤滑相。所加固體潤滑劑是通過低的層間剪切力和促進形成轉移膜而起到減摩的效果。許多研究發(fā)現，固體潤滑劑如PTFE、MoS2、特殊的氟聚合物蠟類如聚四氟蠟(Polyfluo150 wax)能夠有效提高聚合物基復合材料的耐磨和減摩性能[10-12]。前述固體潤滑劑中MoS2的層內是以化學鍵結合，層間是以范德華力結合，層與層之間易于剝離，因此，作為潤滑材料，MoS2在摩擦材料表面具有良好的附著性，覆蓋程度、抗磨或摩擦性能優(yōu)越，在摩擦學領域具有廣闊的應用前景[13]。目前，MoS2對于纖維織物復合材料摩擦學性能的研究還很少，本文以MoS2為固體潤滑劑來探索改善纖維織物復合材料的耐磨性。

1 試樣制備與測試表征

實驗中所用的材料納米MoS2由廣州納諾新材料科技有限公司提供。芳綸纖維織物由宜興市思維奇碳纖維制品有限公司生產，單位面積質量為100 g·m-2，如圖1所示。酚醛樹脂由上海新光化學有限公司生產。

圖1 芳綸纖維織物的光學照片

首先將芳綸纖維織物用丙酮進行清洗，在80 ℃條件下烘干備用。接下來將芳綸纖維織物浸入到含有不同含量二硫化鉬的酚醛-縮醛樹脂膠黏劑稀溶液中，超聲處理30 min，然后將織物取出在60 ℃的烘箱中進行烘干，反復浸漬、烘干，直到纖維織物在復合材料中的質量分數為65%～70%。最后將烘干的纖維織物復合材料(厚度約為0.5 mm)用酚醛-縮醛樹脂膠黏劑粘結在45鋼塊上，在180 ℃和0.1～0.3 MPa壓力下固化2 h制得實驗樣品。

采用MMUD-10B型摩擦磨損試驗機對制備的纖維織物復合材料摩擦磨損性能進行測試。試驗機所用摩擦對偶為直徑為4 mm的鋼銷，材料為45鋼。銷盤摩擦磨損試驗示意圖如圖2所示，試驗條件示于表1。

圖2 銷盤摩擦磨損試驗示意圖

表1 銷盤摩擦實驗條件

摩擦系數可由摩擦磨損試驗機直接得到。磨損率由下式計算：

(1)

式中：V是磨損體積；P是載荷；L是摩擦行程。圖3所示為磨痕表面示意圖，磨損體積V等于圖3中所示的磨痕面積乘以磨痕平均深度。

圖3 試樣表面磨痕示意圖

復合材料的磨損表面形貌采用JSM-6510A掃描電鏡進行觀察。

2 實驗結果與分析

2.1 MoS2含量對纖維織物復合材料摩擦磨損性能的影響

圖4是添加質量分數不同納米MoS2時纖維織物復合材料的摩擦系數隨MoS2質量分數變化關系。由圖4可見，在實驗含量范圍內，添加納米MoS2后復合材料的摩擦系數都比沒有添加的小，說明添加納米MoS2可提高芳綸纖維織物復合材料的耐磨性。此外，隨著MoS2質量分數的增加，制備試樣的摩擦系數先減小后增大。在納米MoS2加入量為0.5 wt%時，纖維織物復合材料的摩擦系數值比較低。

圖4 摩擦系數隨納米MoS2加入量的變化關系

圖5是添加質量分數不同納米MoS2時纖維織物復合材料的磨損率隨MoS2質量分數變化關系。由圖5可見，在實驗含量范圍內，添加納米MoS2后復合材料的磨損率隨MoS2質量分數變化關系與摩擦系數的幾乎相同。

圖5 摩擦率隨納米MoS2加入量的變化關系

當納米MoS2加入量為0.5 wt%時，芳綸纖維織物復合材料的摩擦系數比較小，磨損率比較低的主要原因應與MoS2加入量有關。因為納米粒子具有比較高的表面能，為降低表面能納米顆粒容易發(fā)生團聚現象。當納米MoS2加入量為0.5 wt%時，和其他加入納米MoS2的芳綸纖維織物復合材料相比納米MoS2含量低，在復合材料中的分布較其他加入量的均勻，團聚現象輕。當納米MoS2含量高時，團聚的納米MoS2不僅阻礙了纖維和樹脂基體之間的黏著作用，造成了MoS2團聚物和樹脂基體之間的脫離，還加劇了磨粒磨損作用，從而使得試樣摩擦系數增大，磨損率增加。綜合圖4和圖5可知，添加少量具有潤滑性能的納米MoS2對芳綸纖維織物復合材料的摩擦磨損性能有改善作用。

圖6所示為不含納米MoS2的芳綸纖維編織物復合材料的表面磨損形貌。由圖6(a)可見，磨損表面樹脂基本被全部剝離，大量的纖維被割斷或拔出。圖6(b)為圖6(a)中矩形區(qū)域的SEM圖。由圖6(b)清晰可見斷裂的纖維。由圖6可知，未添加納米MoS2的纖維織物復合材料承載能力較小，摩擦實驗過程中酚醛樹脂很容易被剝離。此外，研究表明，酚醛樹脂導熱性差，容易在應力集中區(qū)聚集摩擦熱，造成材料氧化、降解[14]。因此，未添加納米MoS2纖維織物復合材料磨損率較大。

圖6 (a)纖維織物復合材料磨損表面形貌 (b)圖(a)中矩形區(qū)域SEM圖

圖7所示為添加0.5 wt%納米MoS2時纖維織物復合材料表面磨損形貌。由圖7(a)可見，添加0.5 wt%納米MoS2的復合材料表面磨損較圖6(a)的明顯減輕，磨損的表面有較多的樹脂覆蓋，纖維拉斷和拔出現象顯著減少。圖7(b)所示為圖7(a)中矩形區(qū)域的SEM圖。由圖7(b)可見，試樣磨損表面覆蓋的樹脂變形比較嚴重，呈扁平的“鱗片”狀。

圖7 (a)含0.5 wt%MoS2纖維織物復合材料磨損表面形貌 (b)圖(a)中矩形區(qū)域SEM圖

圖8所示為添加1.5 wt%納米MoS2時纖維織物復合材料表面磨損形貌。由圖8(a)可見，隨著納米MoS2添加量的增加，復合材料表面磨損開始加重，但明顯沒有未加納米MoS2的復合材料磨損嚴重。圖8(b)所示為圖8(a)中矩形區(qū)域的SEM圖。由圖8(b)可見，試樣磨損表面覆蓋的樹脂變形嚴重，表面出現較多的“犁溝”。此外，由圖8(b)還可見，變形嚴重的樹脂已經出現了分層現象。

圖8 (a)含1.5 wt%MoS2纖維織物復合材料磨損表面形貌 (b)圖(a)中矩形區(qū)域SEM圖

進一步增加納米MoS2的添加量之后，纖維織物復合材料的磨損繼續(xù)加重，但是和未添加納米MoS2的相比磨損依然較輕，如圖9(a)所示。圖9(b)所示為圖9(a)中矩形區(qū)域的SEM圖。由圖9(b)可見，磨損表面覆蓋的樹脂變形嚴重，呈細小的“鱗片”狀，且分層現象明顯。

圖9 (a)含2.5 wt%MoS2纖維織物復合材料磨損表面形貌 (b)圖(a)中矩形區(qū)域SEM圖

2.2 載荷對纖維織物復合材料摩擦學性能的影響

前述分析表明，添加0.5 wt%納米MoS2的纖維織物復合材料具有較好的抗磨性能，在此以添加0.5 wt%納米MoS2纖維織物復合材料為分析對象，考察載荷條件對其摩擦磨損性能的影響。圖10所示為加載不同載荷對添加0.5 wt% 納米MoS2的纖維織物復合材料摩擦系數及磨損率的影響。由圖10可見，隨著載荷的增加，復合材料的摩擦系數增大，磨損率增加。

圖10 載荷對添加0.5 wt%納米MoS2纖維織物復合材料摩擦系數及磨損率的影響

添加0.5 wt%納米MoS2的纖維織物復合材料摩擦系數和磨損率隨載荷變化的原因可能在于：在干摩擦條件下，載荷的增加使得摩擦過程中產生的摩擦熱會增加，摩擦界面摩擦熱聚集致使界面溫度升高，使得纖維織物復合材料表面酚醛樹脂部分軟化分解所致。

圖11所示為添加0.5 wt%納米MoS2的纖維織物復合材料在不同載荷下磨損表面的形貌。由圖11可見，隨著載荷的增加，復合材料表面的磨損越來越嚴重，纖維的斷裂和磨損越多，這也與復合材料的磨損率隨著載荷的增加而增加相吻合。

圖11 不同載荷下含0.5 wt% MoS2纖維織物復合材料磨損表面的形貌圖

3 結論

以芳綸纖維織物/酚醛樹脂材料為基體，添加不同質量分數的納米MoS2，以分析納米MoS2對基體材料摩擦磨損性能的影響。通過摩擦磨損性能分析及表面磨痕形貌的分析所得結論如下：

(1)固定載荷條件下，在實驗的添加范圍內，復合材料的摩擦系數隨著MoS2添加量的增加先減小后增大，磨損率隨著MoS2添加量的增加先降低后增加。結合磨痕形貌分析，MoS2添加量為0.5 wt%時，復合材料具有良好的耐磨性；

(2)在固定MoS2添加量為0.5 wt%的條件下改變載荷，復合材料的摩擦系數隨著載荷的增加而增大，磨損率隨著載荷的增加而增加。磨痕形貌分析表明，隨著載荷的增加材料表面的磨損越來越重。