ZrO2纤维材料的摩擦学性能研究范文

摘要：文章制备了ZrO2纤维增强环氧树脂复合材料，并研究了其摩擦学性能。研究发现，氧化锆纤维相对于氧化锆粉体可改善复合材料的磨损率，当氧化锆纤维的含量为30%时复合材料的摩擦学性能最优，磨损率可以达到10－5mm3/（N•m）数量级。该结论可指导其他纤维自润滑材料的制备及性能改善，开发出兼具优异力学性能和摩擦学性能的ZrO2纤维复合材料。

关键词：ZrO2纤维；复合材料；环氧树脂；摩擦学性能

高性能纤维通常指具有高强度、高模量、耐高温、耐摩擦、耐化学药品腐蚀等性能的纤维，在航空、航天、国防军工、汽车工业等领域具有广泛的应用价值。进一步提高特种纤维及其复合材料的性能一直是特种纤维研究领域的热点。氧化锆（ZrO2）纤维在高温环境下耐氧化、耐腐蚀、强度高、不挥发、无污染，是一种能够在1600℃以上超高温环境下长期使用的轻质多晶耐火纤维材料。目前ZrO2纤维已被广泛应用于材料的增韧，如ZrO2纤维增韧ZrB2复合材料、ZrO2纤维和碳纤维增韧ZrB2复合材料、ZrO2纤维和SiC纤维增韧ZrB2复合材料、ZrO2纤维增韧Al2O3复合材料等，都取得了不错的增韧效果，应用于航天飞机绝热与结构增强材料，导弹、火箭发动机喷管喉部、内衬用高温稳定材料等领域。近年来，织物摩擦学兴起，以纤维织物作为表面层、金属或非金属材料为基体、通过黏接形成的承载能力高、摩擦系数低、耐磨寿命长的纤维织物轴承材料，因具有很高的使用价值而成为研究热点。目前该类材料在国外已广泛应用于航空、航天及汽车等领域。由于性能优异，众多高性能纤维，如碳纤维、玻璃纤维和芳纶等都被制备成织物复合材料并试图将其应用于摩擦学领域。ZrO2纤维具有优异的性能，以ZrO2纤维为基体制备新型的基于摩擦学的ZrO2纤维复合材料是一种值得尝试的途径。目前鲜有关于制备ZrO2纤维复合材料并研究其摩擦学性能的报道。本文采用ZrO2纤维和环氧树脂制备ZrO2纤维/环氧树脂复合材料，并研究了其摩擦学性能。

1实验部分

1.1原料及样品制备

1.1.1原料ZrO2长丝（南京理工宇龙新材料科技股份有限公司），纯度（ZrO2+稳定剂）≥99.7%，晶相组成为四方相或全稳定立方相，直径为3～10μm，熔点2700℃，长期使用温度为2200℃，常温热导率≤0.11W/（m•K）；ZrO2粉体（国药集团化学试剂有限公司），粒径1～5μm；环氧树脂DY－E005（湖南把兄弟新材料股份有限公司）。1.1.2样品制备ZrO2纤维/环氧树脂复合材料样品制备：分别按比例（混合物总重量的10%、20%、30%和50%）称量ZrO2纤维和环氧树脂，所制备的ZrO2纤维/环氧树脂复合材料样品分别标记为10ZH、20ZH、30ZH和50ZH。为使ZrO2纤维分布均匀，将ZrO2纤维与环氧树脂混合后用搅拌器中搅拌10min，取出，放入事先准备的模具中固化。固化温度为室温、不加压，固化6h后加8kPa压力，再固化24h。将试样从模具中取出，用切割机加工成2cm×2cm的样品，用SiC砂纸和金相砂纸逐级打磨样品并用表面粗糙度测试仪测试样品粗糙度，至样品表面的粗糙度为0.3μm。ZrO2粉体/环氧树脂复合材料样品制备：用与ZrO2纤维/环氧树脂复合材料相同的方法制备ZrO2粉体/环氧树脂复合材料样品，用于做对比实验，ZrO2粉体质量分数为10%，制备的复合材料样品标记为10FH。

1.2摩擦学性能表征

在CFT－I型材料表面性能综合测试仪上测试复合材料的摩擦学性能，采用往复式摩擦（往复半径为5mm）。测试条件为：载荷10～50N，测试时间10～30min，转速500～2000r/min，同一条件下的实验至少重复3次保证数据的真实性和可重复性；对磨材料为钢球，直径6mm。利用CFT－I型材料表面性能综合测试仪配套的表面粗糙度测试仪测试划痕深度和磨损量。根据式（1）计算复合材料的磨损率。式（1）中，R代表磨损率，mm3/（N•m）；V为磨损体积，mm3；n为加载载荷，N；S为总滑动距离，m。磨损率测试后，用酒精棉清洁磨损表面，吹干后表面喷金，用扫描电子显微镜（SEM，JSM－5600LV）观察微观结构和磨损表面形貌。

2实验结果与讨论

2.1ZrO2纤维含量对复合材料摩擦性能的影响

ZrO2粉体及不同纤维含量的环氧树脂复合材料的摩擦系数如图1所示。由图1可以看出，ZrO2粉体/环氧树脂复合材料的摩擦系数较低，在0.4左右。用ZrO2纤维取代ZrO2粉体后，复合材料的摩擦系数有较大变化。当ZrO2纤维含量较低，为10%和20%时，复合材料的摩擦系数与10FH相当；当ZrO2纤维的含量为30%时，复合材料的摩擦系数在0.55左右。可见随着ZrO2纤维含量的增加，复合材料摩擦系数有增加的趋势。当ZrO2纤维的含量为50%时，复合材料的摩擦系数进一步升高，基本稳定在0.80左右。图1ZrO2粉体及纤维/环氧树脂复合材料的摩擦系数ZrO2粉体及纤维含量为10%的环氧树脂复合材料的磨损率如图2所示。由图2可知，10FH的磨损率为9.87×10－5mm3/（N•m），低于10ZH的1.52×10－4mm3/（N•m）；当ZrO2纤维的含量升高到20%时，复合材料的磨损率降低至9.72×10－5mm3/（N•m）；ZrO2纤维的含量为30%时，复合材料的磨损率降至最低为，为7.88×10－5mm3/（N•m）；当ZrO2纤维含量进一步升高到50%时，复合材料的磨损率反而增加，达到2.01×10－4mm3/（N•m）。综合分析，ZrO2纤维/环氧树脂复合材料的摩擦系数随ZrO2纤维含量升高而变大，是因为ZrO2纤维的硬度比环氧树脂的硬度高得多，在摩擦时硬度较低的环氧树脂会发生塑性变形起到固体润滑剂的作用。ZrO2纤维/环氧树脂复合材料的磨损率随着ZrO2纤维的含量增加先降低再上升，是因为当ZrO2纤维含量较少时，环氧树脂可以很好地黏结ZrO2纤维，这样ZrO2纤维就可以起到更好的增韧和减磨作用；而当ZrO2纤维含量较高时，环氧树脂对ZrO2纤维的黏合力减弱，ZrO2纤维的作用由增韧和减磨转变为剥落，进而使材料的磨损增大。与ZrO2纤维/环氧树脂复合材料相比，ZrO2粉体/环氧树脂复合材料在同样条件下的摩擦系数和磨损率都较低，是因为ZrO2粉体与ZrO2纤维相比体积更小，剥落现象更弱；另外ZrO2粉体的支撑作用更弱，使得ZrO2粉体/环氧树脂复合材料更易塑性变形进一步形成光滑的磨损表面；但ZrO2粉体没有增韧作用，综合力学性能较差。

2.2施加载荷对复合材料摩擦性能的影响

综合考虑2.1的测试结果，得出30ZH的摩擦学性能最优，为进一步研究其在不同条件下的摩擦学性能，测试了该材料在不同载荷条件下的摩擦系数和磨损率，如图3所示。由图3可知，当施加载荷分别为5和10N时，30ZH的摩擦系数分别为0.52和0.55；当施加载荷增加到20N时，该材料的摩擦系数迅速下降到0.4；当施加载荷进一步增加至50N时，其摩擦系数降至最低，为0.35。在低载荷时，复合材料的磨损率较低——5和10N载荷下30ZH磨损率分别为7.25×10－5和7.88×10－5mm3/（N•m）；随着施加载荷的增大，复合材料的磨损率迅速升高——20和30N载荷下，复合材料的磨损率分别增至2.73×10－4和1.19×10－3mm3/（N•m）；此后当施加载荷继续升高时磨损率基本保持不变。随着施加载荷的增加，复合材料的摩擦系数由高变低是因为载荷增大后环氧树脂更易发生塑性变形也更容易提供润滑；磨损率由小变大后逐渐平稳是因为载荷较小时ZrO2纤维剥落较少。

2.3滑动速度对复合材料摩擦性能的影响

不同的滑动速度可能导致不同的摩擦磨损机理，因而滑动速度对材料的摩擦学性能也有很大影响。图4为30ZH在不同滑动速度下的摩擦系数和磨损率。由图4可知，随着转速的增加，复合材料的摩擦系数逐渐下降，当转速为500r/min（0.08m/s）时，复合材料的摩擦系数为0.7；转速为2000r/min（0.33m/s）时，摩擦系数降至最低，为0.22。磨损率的测试结果与摩擦系数相反，当转速为500r/min时，复合材料的磨损率为8.59×10－5mm3/（N•m）；当转速为1000r/min（0.17m/s）时，磨损率最低，为7.87×10－5mm3/（N•m）；而随着转速的进一步增加，磨损率迅速增加，转速为到2000r/min时磨损率最高，为2.04×10－4mm3/（N•m）。ZrO2纤维/环氧树脂复合材料的摩擦系数随滑动速度升高而降低，磨损率随滑动速度的升高而升高，是因为摩擦速度越高摩擦越剧烈，摩擦热也就越大，因而样品高速摩擦时磨损表面的温度比低速摩擦时的温度高很多，材料更容易发生塑性变形，进一步形成光滑的磨损表面，同时ZrO2纤维也更容易从复合材料中剥离，这就造成了更严重的磨损。

2.4复合材料的磨损表面分析

图5给出了ZrO2粉体和纤维/环氧树脂复合材料的磨损表面。从图5（a）可以看出，ZrO2粉体/环氧树脂复合材料的磨损表面局部光滑平整，但也有剥落较为严重的地方，这是因为ZrO2粉体的硬度比环氧树脂的硬度大得多，材料的磨损主要是磨粒磨损，ZrO2粉体富集的地方磨损严重，ZrO2粉体较少的地方磨损表面光滑。ZrO2纤维则能够起到很好的支撑作用，从图5（b）中可以看出，暴露在表面的ZrO2纤维被磨平；而当ZrO2纤维的含量增加后，复合材料的磨损表面出现了ZrO2纤维剥落的现象，这种剥落随着ZrO2纤维的含量升高而愈加严重（图5（c）和图5（d））。

3结论

（1）本文研究了不同ZrO2纤维含量的ZrO2纤维/环氧树脂复合材料的摩擦学性能，发现ZrO2纤维含量为10%和20%时，复合材料的摩擦系数较低，为0.4；ZrO2纤维含量为30%时，复合材料的磨损率最低，为7.88×10－5mm3/（N•m）。（2）研究了不同载荷和滑动速度条件下ZrO2纤维为30%的ZrO2纤维/环氧树脂复合材料的摩擦学性能，结果显示，随着载荷的增大复合材料的摩擦系数降低而磨损率升高，当载荷为50N时摩擦系数最低，为0.35；当载荷为5N时磨损率最低，为7.25×10－5mm3/（N•m）。转速为2000r/min时，复合材料的摩擦系数最低，为0.22；转速为1000r/min时，磨损率最低，为7.87×10－5mm3/（N•m）。（3）复合材料中的ZrO2纤维可有效地起到支撑作用，但是高含量、高载荷和高速时也会导致严重的剥落。ZrO2纤维的增韧与剥落和环氧树脂的塑性变形情况决定了ZrO2纤维/环氧树脂复合材料的摩擦学性能。

作者：令乾 杨洪芳 曲铭海 张会青 王文康 靳珊珊 单位：德州学院纺织服装学院