黄丽坚  杨长城  黄培

(南京工业大学材料化学工程国家重点实验室,江苏南京210009)

摘要：研究了不同质量分数石墨、碳纤维、纳米ZrO2对环氧树脂(EP)涂层摩擦磨损性能的影响,并用扫描电 子显微镜观察了涂层磨损表面形貌并探讨了磨损机理。结果表明:石墨质量分数为20%时复合涂层的磨损率仅为纯EP的7·75%;纳米ZrO2质量分数为4%时复合涂层的磨损率为纯EP的30%;纳米ZrO2与碳纤维以及石墨的协同作用提高了EP的摩擦磨损性能。EP复合涂层的磨损机理以粘着磨损、磨粒磨损以及疲劳磨损为主。

关键词：环氧树脂;摩擦磨损;石墨;碳纤维;纳米二氧化锆

中图分类号：TQ323·5; TH117·1　文章标识码: A　文章编号: 1002-7432(2009)02-0026-03

0　引　言

环氧树脂(EP)是一种常用的热固性高分子材料,由于质轻价廉等优点广泛用于涂料、胶粘剂及复合材料等领域[1],其固化物具有高强度、高模量、优良的尺寸稳定性及耐腐蚀性等优点[2]。然而,由于三维交联网络的结构特点所限,环氧树脂的摩擦磨损性能较差,通常需要与其他无机填料复合才能获得良好的减摩耐磨效果[3~5]。

本文制备了石墨、碳纤维以及纳米ZrO2增强改性的环氧树脂复合涂层,考察了不同填料的含量与协同作用对环氧树脂复合涂层摩擦学性能的影响,并初步探讨了复合涂层的磨损机理。

1　试验部分

1·1　原　料

环氧树脂, TDE-85,天津津东化工厂生产; 固化剂,长链柔性芳香二胺, DAMI,自制;碳纤维(CF),密度1·78×103kg/m3,上海碳素厂生产;石墨,上海胶体化工厂生产;纳米ZrO2,上海珠 儿纳高新粉体有限公司。

1·2　涂层制备

取粒料质量0·5% ~1·0%的硅烷偶联剂KH- 560,用丙酮稀释,加入粒料充分搅拌,用超声波 充分分散30 min,然后升温至120℃,烘干,待用。将处理后的石墨、碳纤维和纳米ZrO2加入到丙酮中,和EP混合均匀,用超声波处理20 min, 升温至110℃,脱溶剂,冷却后加入适量的固化剂,混合均匀。再将共混物均匀涂覆于钢环表面, 固化工艺: 150℃/2 h+180℃/4 h+220℃/3 h, 制得EP复合涂层。

1·3　涂层性能测试

采用MPX-2000型磨损试验机测试涂层摩擦磨损性能,摩擦接触形式为环-环式,偶件为45# 钢,尺寸Ф34 mm×Ф22 mm×6 mm。室温条件, 线性滑动速度为0·54 m/s,载荷0·5MPa,测试时 间为120 min。测试前试样和对偶件用600#氧化铝 耐水砂纸打磨抛光并用丙酮清洗干净。通过测定摩 擦力矩后计算得出摩擦系数。用精度为0·1 mg的 电子天平测定涂层磨损前后的质量损失,进而计算 涂层体积磨损率。采用QUANTA200型扫描电子显 微镜(SEM)观察涂层磨损表面的形貌特征。

2　结果与讨论

2·1　石墨质量分数的影响

从表1可以看出,随着石墨质量分数的增加 EP涂层的摩擦系数和磨损率都逐渐降低。石墨质 量分数为20%时, EP涂层的磨损率仅为纯EP的 7·75%。

纯EP表面在摩擦过程中发生了氧化反应,表面大分子链在剪切应力的作用下发生扭转,出现分子链内及链间的化学键和氢键的断裂,产物脱离基体而产生剧烈磨损[6]。石墨的加入使涂层与摩擦副的摩擦主要发生在所形成的固体润滑膜层间,因而随石墨质量分数的增加,EP涂层的摩擦系数不断下降[5],同时复合涂层的耐磨性进一步提高。

2·2　碳纤维质量分数的影响

从图1可以看出,碳纤维的加入降低了EP涂 层的摩擦系数和磨损率,随着碳纤维质量分数的增加, EP涂层的摩擦磨损性能得到进一步提高。

碳纤维的石墨层结构本身具有自润滑性能,可 以降低涂层的摩擦系数,同时在摩擦过程中碳纤维 起到主要的力学支撑、网状束缚基体和减少基体破 坏的作用,从而提高了EP涂层的承载能力和耐磨 性能。

2·3　纳米ZrO2质量分数的影响

从图2可以看出,纳米ZrO2提高了环氧树脂 涂层的耐磨性能,随着纳米ZrO2质量分数增加, 涂层的磨损率进一步降低。当纳米ZrO2质量分数 为4%时,复合涂层的磨损率仅为纯EP涂层的 30%,表明纳米ZrO2起到了良好的增塑和增强作 用。相对于纯EP,纳米复合涂层的摩擦系数有所 增大,这是因为在摩擦过程中由于偶面粗糙度下降与EP涂层的接触面积增大,导致涂层的粘着增加。

2·4　填料的协同作用

从图3可以看出,添加1%纳米ZrO2到10%CF/ EP复合涂层中对摩擦系数没有明显的影响,但复 合涂层的耐磨性能有了显著提高。添加1%纳米 ZrO2到10%石墨/EP复合涂层中进一步降低了10% 石墨/EP的摩擦系数,但涂层的磨损率有所增大。

纳米ZrO2与碳纤维协同填充EP,在摩擦过程 中碳纤维起到主要的力学支撑、减少基体破坏的作 用,同时能够阻止摩擦面上磨屑及纳米粒子的流 失。纳米ZrO2的存在,使EP中由于碳纤维粗大而 填充不到的贫纤维区得到了一定的显微增强,聚集 在摩擦面上起到一定的“滚珠”效应。纳米ZrO2与 碳纤维协同增强EP可以形成一种尺寸互补、功能 互补的结构,使EP复合涂层的耐磨性能得到显著 提高。

纳米ZrO2与石墨的协同作用主要是纳米ZrO2 起到增强作用,提高了石墨向偶面转移膜的承载能 力与粘着强度,保护转移膜的形成,从而降低涂层 的摩擦系数。

2·5　磨损表面SEM分析

从图4可以看出,纯EP磨损表面因受到剪切力作用而发生弹塑性变形,使其承受较大的应力 场,导致大分子在应力集中处发生断裂,材料磨损 表面出现划痕和微观撕裂,磨损机理为疲劳磨损 (见图4a)。图4(b)显示石墨质量分数20%的EP 涂层磨损表面非常光滑,没有犁沟和划痕,也没有 出现表面脱落现象,只有一定量的磨削,粘着磨损 为主要磨损机理。含碳纤维的EP涂层磨损表面存 在大量的犁沟和裂纹,磨粒磨损为主要磨损机理 (见图4c)。与纯EP相比,加入4% (质量分数)纳 米ZrO2的EP涂层的磨损表面相对较光滑,没有大 面积剥落现象,但存在细小的颗粒和犁沟,以疲劳 磨损与粘着磨损为主(见图4d)。添加纳米ZrO2的 EP/碳纤维复合涂层的磨损面上明显可见碳纤维与 基体结合较好(见图4e),相比图4(c)磨粒磨损作 用减轻并伴有轻微疲劳磨损。添加纳米ZrO2的 EP/石墨复合涂层的磨损表面比较光滑(见图4f), 纳米ZrO2的加入有效地保护了磨损表面,在滑动 时减小了剪切力和接触温度,对基体材料起到保护作用。

3　结　论

1)随着石墨和碳纤维含量的增大, EP涂层的 摩擦系数和磨损率逐渐降低;石墨/EP涂层的磨损 主要为粘着磨损;碳纤维/EP涂层以磨粒磨损为 主。纳米ZrO2提高了EP涂层的耐磨性能。

2)纳米ZrO2与碳纤维以及石墨填充环氧树 脂,能够发挥协同效应,显著降低EP涂层的摩擦 系数和磨损率。碳纤维起力学支撑、网状束缚基 体,阻止磨屑及纳米粒子流失的作用,纳米ZrO2提高了石墨转移膜的承载能力以及与偶面的粘着强度。

参考文献:

[1]宫伟,李智超.涂层磨损测试方法与环氧树脂耐蚀磨损性能 [J].热固性树脂, 2005, 20(1): 50-52.

[2]陈立军,武凤琴,张欣宇,等.碳纤维/环氧树脂复合材料的改 性及改性机理[J].合成树脂及塑料, 2008, 25(1): 75-78.

[3] ChangL, Zhang Z. Tribological properties of epoxy nanocomposites

Part II. A combinative effect of short carbon fibre with nano-TiO2

[J]. Wear, 2006, 260(8): 869-878.

[4]曲忠先,焦剑,王雪荣.无机纳米粒子填充改性环氧树脂研究 进展[J].热固性树脂, 2006, 21(1): 45-48.

[5] Li Xiubing, Gao Yimin, Xing Jiandong, et a.l Wear reduction

mechanism of graphite and MoS2in epoxy composites[ J]. Wear, 2004, 257(4): 279-283.

[6]胡海霞,于思荣, MA Jun,等.环氧树脂在干摩擦过程中的表 面化学效应研究[J].摩擦学学报, 2007, 27(3): 241-245.