石墨烯对复合材料性能的影响范文

《热加工工艺杂志》2016年第三期

摘要：

在齿轮用WC-Co复合材料中添加了不同含量石墨烯，并进行了该复合材料的显微组织尧耐磨损性和抗热疲劳性的测试。结果表明：添加10vol%石墨烯，可获得石墨烯分布较为均匀，且耐磨损性能和抗热疲劳性能均得到显著提高的齿轮用复合材料；与未添加石墨烯相比，添加10vol%石墨烯可使200℃磨损体积减小80%，热疲劳寿命增加209%。

关键词：

复合材料；石墨烯；齿轮；耐磨损性；抗热疲劳性

WC-Co复合材料是齿轮等行业常用的一种复合材料，具有较好的耐磨损性[1-2]。但是随齿轮行业的发展以及齿轮技术要求的提高，现有的复合材料难以满足齿轮的技术需求，迫切需要进行相应的改善和性能提升。石墨烯是一种新型的特殊材料，其特殊的结构尧性能，使其添加到材料中往往具有无可比拟的优异性能[3-5]。鉴于此，本文在齿轮用WC-Co复合材料中添加了不同含量的石墨烯，研究了石墨烯含量对齿轮用复合材料显微组织尧耐磨损性和抗热疲劳性的影响。

1试验材料与方法

1.1试验材料试验选用工业级WC尧Co粉和石墨烯，所用WC和Co粉的粒径分布，如图1所示。所用石墨烯的扫描电镜照片，如图2所示。石墨烯在复合材料中的体积分数(vol%)分别为0尧5尧10和15。齿轮用复合材料试样的制备工艺，如图3所示。试样的球磨采用PM-40L型行星球磨机，球料比选用8:1，采用HSL6357型真空烧结炉进行试样烧结。

1.2试验方法添加了不同含量石墨烯的齿轮用WC-Co复合材料，其显微组织采用PX-15型金相显微镜进行观察；其耐磨损性能采用MMUD-5B型高温摩擦磨损试验机进行测试，测试参数分别为磨损载荷90N尧相对滑动速度100mm/min尧磨轮转速250r/min尧摩擦磨损总转数2500r尧测试温度分别为25尧200和500℃，并采用JSM6510型扫描电镜对磨损表面进行观察；其抗热疲劳性能的测试在HG19-SX-5-12型恒温数显箱式电阻炉中进行，在20～500℃进行加热与冷却的热循环，每个试样热循环至80倍显微镜下出现裂纹为止，以出现裂纹的循环次数作为试样的热疲劳寿命。

2试验结果及讨论

2.1显微组织分析及讨论添加不同含量石墨烯的齿轮用WC-Co复合材料，其显微组织金相照片，如图4所示。可看出，随石墨烯在该复合材料中含量的增加，石墨烯在复合材料中的分布呈现出明显不同的状况。当石墨烯含量为5vol%时，由于石墨烯含量较少，在复合材料中的分布难以均匀；当石墨烯含量增至10vol%时，分布较为均匀且无明显的团聚现象；当石墨烯含量进一步增至15vol%时，出现明显的团聚现象。

2.2耐磨损性能测试结果及讨论添加不同含量石墨烯的齿轮用WC-Co复合材料在25尧200尧500℃测试条件下的耐磨损性能测试结果如图5所示。可看出，与不含石墨烯的齿轮用WC-Co复合材料相比，添加了石墨烯的齿轮用WC-Co复合材料的磨损体积明显减小。尤其是添加10vol%石墨烯时的磨损体积减少最多，其耐磨损性提高最明显。其中，在200℃测试条件下，其磨损体积较不含石墨烯试样从54伊10-3mm3减小至11伊10-3mm3，减小了80%。由此可看出，在齿轮用WC-Co复合材料中添加石墨烯，尤其是添加10vol%石墨烯时，该复合材料的耐磨损性得到提高。图6是添加不同含量石墨烯的齿轮用WC-Co复合材料在200℃磨损后的表面形貌。可看出，未添加石墨烯的齿轮用WC-Co复合材料在200℃磨损试验后，其表面出现较多的脱落，磨损现象较为明显。而添加了石墨烯的齿轮用WC-Co复合材料磨损试验后无明显脱落，磨损现象明显减轻。尤其是添加10vol%石墨烯时的磨损最轻微，仅有少量磨痕，耐磨损性显著提高。这与试样的磨损体积测试结果一致。

2.3抗热疲劳性能测试结果及讨论添加不同含量石墨烯的齿轮用WC-Co复合材料，在20～500℃进行加热与冷却的热循环，其抗热疲劳性能测试结果，如图7所示。可看出，与不含石墨烯的齿轮用WC-Co复合材料相比，添加了石墨烯的齿轮用WC-Co复合材料的热疲劳寿命明显延长。尤其是添加10vol%石墨烯时的热疲劳寿命延长最明显，其抗热疲劳性能最好，其热疲劳寿命从429次增加至1326次，增加了209%。由此可看出，在齿轮用WC-Co复合材料中添加石墨烯，尤其是添加10vol%石墨烯时，可提高该复合材料的抗热疲劳性能。

3结论

(1)在齿轮用WC-Co复合材料中，添加石墨烯，尤其是添加10vol%石墨烯，可获得石墨烯分布较为均匀尧耐磨损性能和抗热疲劳性能均得到显著提高的齿轮用复合材料。(2)与不含石墨烯的齿轮用WC-Co复合材料相比，添加石墨烯，尤其是添加10vol%石墨烯时，齿轮用WC-Co复合材料的磨损体积明显减小，耐磨损性能显著提高；其中添加10vol%石墨烯后试样在200℃测试条件下的磨损体积减小了80%。(3)与不含石墨烯的齿轮用WC-Co复合材料相比，添加石墨烯，尤其是添加10vol%石墨烯时，齿轮用WC-Co复合材料的热疲劳寿命明显延长，抗热疲劳性能提高。当添加10vol%石墨烯后试样的热疲劳寿命增加209%。

参考文献：

[1]龙坚战，张忠健，彭文，等.Ni3Al添加量对WC-Co硬质合金中WC晶粒形状的影响[J].硬质合金，2013，22(6)：308-315.

[2]，潘，杨智春.复合材料/铝复合管轴向准静态及冲击压溃的吸能特性[J].振动与冲击，2010，19(8)：209-213+253.

[3]席文君，王海静，李静.时效对铝热法合成的TiC/FeNiCrAl复合材料组织和性能的影响[J].稀有金属材料与工程，2012，32(S2)：492-495.

[4]胥锴，刘徽平.亚共晶铝硅合金自生Mg2Si复合材料的显微组织研究[J].热加工工艺，2010，39(12)：80-82.

[5]朱晶波.纳米改性减震型导电胶的研究[J].制造业自动化，2014(1)：70-71

作者：李晓林 单位：包头铁道职业技术学院