嵌入式共固化復合材料阻尼結構濕熱處理前后的摩擦磨損性能研究

【化學工程與材料科學】

嵌入式共固化復合材料阻尼結構濕熱處理前后的摩擦磨損性能研究

梁森1，王輝1，雒磊1，梁天錫2

(1.青島理工大學 機械工程學院，山東 青島266033; 2.中國工程物理研究院，四川 綿陽621900)

摘要：按照T300/QY8911復合材料預浸料固化工藝曲線制成嵌入式共固化復合材料阻尼結構試件，分別對其進行摩擦、磨損實驗，同時對濕熱試驗后試件作耐磨性對比，獲得了該復合材料的摩擦系數和磨損量隨阻尼層厚度變化曲線，并對實驗數據進行分析和研究；結果表明：濕熱處理前后，阻尼結構的抗摩擦、磨損特性是隨阻尼層厚度的增加而降低；穿孔阻尼結構能較大程度地提高嵌入式共固化復合材料阻尼結構的抗摩擦、磨損性能；在相同阻尼薄膜厚度情況下，穿孔阻尼結構在濕熱處理前摩擦系數和磨損量分別降低了9.85%和16.67%,在濕熱處理后摩擦系數和磨損量分別降低了8.32%和11.43%；為進一步探索全天候、超高速、高耐磨性能的嵌入式共固化復合材料有重要的指導意義。

關鍵詞：嵌入式共固化復合材料阻尼結構；摩擦磨損特性；濕熱處理；穿孔阻尼結構

收稿日期：2014-06-27

基金項目：國家自然科學基金資助項目(51375248)；中國工程物理研究院“儀表板的設計與開發”資助項目

作者簡介：梁森，男，教授，主要從事大阻尼功能復合材料研究。

doi:10.11809/scbgxb2015.01.036

中圖分類號：TB535

文章編號：1006-0707(2015)01-0128-06

本文引用格式：梁森，王輝，雒磊，等.嵌入式共固化復合材料阻尼結構濕熱處理前后的摩擦磨損性能研究[J].四川兵工學報，2015(1):128-132.

Citation format:LIANG Sen, WANG Hui, LUO Lei, et al.Tribological Properties of Embedded Co-Cured Composite Damping Structures Before and After Hygrothermal Environment Treatment[J].Journal of Sichuan Ordnance,2015(1):128-132.

Tribological Properties of Embedded Co-Cured Composite Damping

Structures Before and After Hygrothermal Environment Treatment

LIANG Sen1, WANG Hui1, LUO Lei1, LIANG Tian-xi2

(1.College of Mechanical Engineering, Qingdao Technological University, Qingdao 266033, China;

2.China Academy of Engineering Physics, Mianyang 621900,China)

Abstract:According to the cure curve of T300/QY8911, the specimens of the embedded co-cured composite damping structure were manufactured. The friction and wear experiments of the specimens were completed and the tribological properties of the embedded co-cured composite damping structure vs. the thickness of damping membrane were obtained by making a comparison with specimens before and after hygrothermal environment treatment, respectively. The result shows that the friction and wear coefficients are enhancing with the increasing of damping layer thickness, and the embedded co-cured perforated damping layer composite structure can improve the tribological properties. In the same thickness of damping membrane, by comparing with a continuous damping structure, the friction and wear coefficients of a perforated damping layer composite structure are decreased by 9.85% and 16.67% before hygrothermal environment treatment, respectively. The friction and wear coefficients are reduced by 8.32% and 11.43% after hygrothermal environment treatment, respectively. The conclusion is very important for the theoretical prediction of the wear-resistant of the embedded co-cured perforated damping layer composite structure.

Key words: embedded co-cured composite damping structure; friction and wear property; hygrothermal environment treatment; perforated damping structure

復合材料結構本身的阻尼特性要比常見金屬的高10～100倍，在一定程度上控制了結構的共振幅值、提高了結構的疲勞壽命和抗沖擊能力[1,2]，但是在應用中仍然偏低[3-6]，復合材料力學性能的可設計性又為其阻尼性能的進一步提高和結構的優化提供了廣闊的空間，嵌入式共固化復合材料阻尼結構(Embedded Co-cured Composite Damping Structure,ECCDS)正是利用這一特性將三種不同性質的材料(如碳纖維、樹脂和粘彈性阻尼材料)，通過物理或化學的方法經人工或現代工藝復合而成的一種多相固體。從它的組成和結構上分析，其中有一相在層內基本上是連續的稱為基體，如樹脂，而另一相是分散被基體所包容的稱為增強相，如碳纖維，還有一相是各向同性的粘彈性阻尼材料。其基體相、增強相和粘彈性阻尼材料在性能上起協調作用，從而達到大幅度地提高復合材料構件阻尼的目的，得到單一材料難以比擬的綜合力學性能。與傳統阻尼形式相比這種事先阻尼處理結構是鑲嵌在基體材料內部的，具有不脫落、抗老化等優點，因此這種復合材料層合阻尼結構一經提出就成了眾多國內外學者研究的熱點內容[4-9]，然而目前的探索都是在自然環境下進行的[8-12]，要使這種材料應用于全天候、超高速的飛行器、運載器等設備，就必須對其在濕熱環境處理后的抗摩擦、磨損性能進行探究，但時至今日相關文獻報道非常稀少。為此本文通過實驗研究嵌入式共固化復合材料在不同環境處理后摩擦系數和磨損量來探討ECCDS的抗磨性能，并對實驗結果進行詳細分析與討論，為進一步探索全天候、超高速、高耐磨性能的嵌入式共固化復合材料奠定堅實基礎。

1實驗試件

1.1連續阻尼結構試件制備

參考文獻為研究嵌入式共固化復合材料的摩擦、磨損性能，本文根據[12,13]采用碳纖維/雙馬來酰亞胺(T300/QY8911)的共固化工藝制成嵌入式耐高溫大阻尼復合材料試件，其中粘彈性阻尼層采用刷涂工藝制得，根據國標HB7401—1996通過高壓水切割制成長為50 mm，寬為50 mm的正方形復合材料試件，其厚度參數和最終試件分別見表1和圖1。

1.2穿孔阻尼結構試件制作

穿孔阻尼復合材料結構能在幾乎不降低整體結構剛度的前提下大幅度提高ECCDS的阻尼性能[14]，作為對比試件，本文使用穿孔阻尼結構試件，其層合結構如圖2所示。

表1　試件主要幾何參數　mm

圖1　嵌入式共固化復合材料試件

圖2　穿孔阻尼結構示意圖

穿孔阻尼結構是在粘彈性材料層上按照指定尺寸要求穿孔后再與碳纖維預浸料進行共固化，從而制成穿孔阻尼復合材料結構試件。在共固化工藝中，上、下蒙皮的樹脂會變成液態，在抽真空、加壓和加熱環境下，液態樹脂會貫通阻尼穿孔層將兩側的復合材料部分相連，從而提高了阻尼結構的整體剛度。具體如圖3所示。

圖3　穿孔阻尼層共固化后的復合材料結構

1.3濕熱處理

為了研究ECCDS濕熱后的摩擦、磨損性能，作為對比實驗，根據國標HB7401-1996分別將相同條件制作的試件進行濕熱處理，即將試樣先干燥，使其達到工程干態后，然后在78℃～80℃的蒸餾水中進行浸泡，每5 h取出稱重直至其重量變化量小于0.02%后，再進行烘干達到工程干態，就制成濕熱處理后的ECCDS試件。

2摩擦、磨損分析實驗

2.1實驗所用儀器

摩擦實驗采用的是美國CERT公司的UMT-3，實驗儀器和試件裝夾分別如圖4、圖5所示。

磨損試驗采用的是天辰公司MHR-3數顯立式萬能磨損試驗機，實驗儀器如圖6所示，實驗試件的夾持如圖7所示。

圖4　CERT摩擦系數測量儀

圖7　實驗試件的裝夾

2.2實驗方法

將嵌入式共固化復合材料試件用強力膠水固定在實驗儀器的實驗臺上，摩擦實驗的加載力為2.5 N，加載時間5 min，采用直徑為5 mm的鋼球與試件進行往復式干摩擦; 磨損實驗采用50 N的加載力，磨損時間為30 min，轉速為500 r/min，采用3個成120°角分布的直徑為17 mm的鋼球進行干磨損，注意要保證試件裝夾牢固可靠，避免在摩擦和磨損實驗時造成試件脫落，磨損后的試件如圖8所示。

圖8　磨損后的嵌入式共固化復合材料試件

2.3測試結果及對比

2.3.1ECCDS測試結果

通過試驗測得ECCDS試件的摩擦系數隨阻尼層厚度的變化如表2所示；ECCDS試件的磨損量隨阻尼層厚度的變化如表3所示。

表2　摩擦系數隨阻尼層厚度的實驗結果

2.3.2濕熱處理后ECCDS測試結果

為了比較，這里將做過濕熱處理后的試件再次進行摩擦、磨損實驗，現將所測摩擦系數隨阻尼層厚度的變化列入表4，濕熱處理前、后試件摩擦系數隨阻尼層厚度的變化曲線繪于圖9；并將濕熱處理后ECCDS試件的磨損量隨阻尼層厚度的變化列入表5，濕熱處理前、后ECCDS試件的磨損量隨阻尼層厚度的變化關系繪于圖10。

表3　磨損量隨阻尼層厚度的實驗結果

表4　濕熱后ECCDS試驗結果

表5　濕熱后ECCDS磨損試驗結果

圖9　濕熱處理前、后摩擦系數曲線對比

圖10　濕熱處理前、后磨損量曲線對比

2.3.3穿孔阻尼結構的測試結果

這里采用穿孔孔徑為2 mm，孔距為10 mm，阻尼層厚度為0.2 mm的ECCDS進行摩擦、磨損實驗。結果與相同厚度連續阻尼試件對比如表6所示。

表6　穿孔阻尼摩擦、磨損試驗結果及對比

3數據分析

3.1連續阻尼結構測試結果分析

由于高分子材料的摩擦、磨損是一個非常復雜的動態過程,它主要與材料的硬度和密度因素有關。根據Archard的摩擦、磨損規律,即硬質材料與軟質材料對磨時,軟質材料的磨損量與其硬度成反比[15]。從圖9和圖10可知：隨著嵌入式共固化復合材料阻尼層厚度的增加，ECCDS的摩擦系數和磨損量都是增加的，這是由于ECCDS的整體剛度隨著阻尼層厚度的增加而降低[16,18-21]。當鋼球在相同外力的作用下壓在阻尼薄膜較厚的試件表面時，在試件表面壓入的凹坑就比較深，也就是說試件的表面硬度比較低，從而導致磨損量隨阻尼層厚度的增加而增加。對于相同材質和表面粗糙度的試件，其表面硬度越小，摩擦系數就會變大，從而使試件更容易被磨損，所以ECCDS的抗摩擦、磨損性能也隨著阻尼層厚度的增加而有不同程度地降低。

3.2濕熱處理后ECCDS測試結果分析

由圖9和圖10知：濕熱處理后試件的摩擦系數和磨損量均比濕熱前大，這是由于阻尼結構在濕熱環境下大量水分子進入ECCDS中，當試件烘干后，水分蒸發，在ECCDS中留下大量的微觀孔洞，形成如圖11所示的細微多孔組織，使ECCDS的密度降低，從而使試件的抗摩擦、磨損性能下降。這里的降低是由硬度和密度共同作用的結果，從而使得濕熱處理后ECCDS摩擦系數和磨損量均比濕熱前大。當阻尼層厚度超過一定值時(如這里0.4 mm)，濕熱試驗后試件的摩擦系數和磨損量會略高于濕熱前試件，這是由于當阻尼層厚度達到一定值時，整體結構的剛度就不隨阻尼層厚度的增加而發生顯著變化，也就是說濕熱前、后其表面的硬度幾乎不再隨阻尼層厚度的變化而顯著變化，而濕熱實驗處理后的多孔結構導致密度降低在起作用。因此，出現了較厚阻尼層的ECCDS試件其濕熱試驗后試件的摩擦、磨損性能略高于濕熱處理前的試件。

圖11　試件濕熱處理后的SEM圖

3.3穿孔阻尼結構測試結果分析

從表6可知：濕熱前穿孔阻尼結構其摩擦系數和磨損量比連續阻尼結構分別降低了9.85%和16.67%，濕熱后穿孔阻尼結構摩擦系數和磨損量比連續阻尼結構分別降低了8.32%和11.43%。

究其原因是穿孔阻尼結構在上、下蒙皮之間有許多由樹脂構成的“樹脂釘”，正如圖3所示，這些樹脂釘的存在，使上、下蒙皮之間的硬支撐點增加，穿孔結構越多即孔距越小[14,16]，硬支撐點也多，每個支撐點之間的距離越短，從而使整體結構的剛度有很大程度地提高，相當于ECCDS試件表面的硬度增加，正是由于穿孔阻尼結構提高了整體結構的剛度，從而提高ECCDS的表面硬度，使得整個結構的抗摩擦、磨損性能提高。因此，穿孔阻尼結構可以有效地提高ECCDS的抗摩擦、磨損性能。

4結論

摩擦、磨損性能直接影響著ECCDS在超高速、全天候運載工具中的應用前景，本文通過對不同阻尼薄膜厚度的ECCDS試件進行摩擦、磨損實驗，測得不同阻尼層厚度的摩擦系數和磨損量，并與濕熱實驗后試件、穿孔阻尼薄膜試件的研究結果進行了對比，主要結論：

濕熱實驗前、后的ECCDS試件其摩擦系數和磨損量都隨著阻尼層厚度的增加而增加。在相同阻尼層厚度時，濕熱處理后試件的摩擦系數和磨損量均大于濕熱處理前試件的摩擦系數和磨損量，說明濕熱處理能降低ECCDS結構的抗摩擦磨損性能。穿孔阻尼復合材料結構能提高ECCDS的抗摩擦、磨損性能。即在同等條件下，濕熱實驗處理前穿孔阻尼結構與相同厚度的連續阻尼結構相比其抗摩擦、磨損性能分別提高9.85%和16.67%；濕熱實驗后穿孔阻尼的抗摩擦、磨損性能與相同厚度的連續阻尼結構相比分別提高8.32%和11.43%。因此，穿孔阻尼結構可以有效改善ECCDS的摩擦、磨損特性。如果改變穿孔阻尼結構的孔徑和孔距就能設計穿孔阻尼復合材料結構表面的抗摩擦、磨損性能。

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(責任編輯楊繼森)