碳纖維復合材料摩擦性能試驗研究

彭 赫,張錦光,葉夢勇

(武漢理工大學 機電工程學院，湖北 武漢 430070)

碳纖維是高性能纖維中比強度和比模量最高的纖維，在強度高于鋼鐵材料數倍的情況下，質量卻不到鋼材的1/2，具有優異的力學性能。碳纖維一般不是單獨使用，而是以增強材料的形式與樹脂材料結合成為復合材料。復合材料中碳纖維發揮其優異的機械性能承擔載荷，樹脂主要起粘接作用，以上特點使得碳纖維增強復合材料(carbon fiber reinforced plastic,CFRP)在汽車工業、航天航空、高速軌道領域得到廣泛應用[1-4]。在一些特定的應用領域，如水潤滑軸承[5]，自行車剎車片[6]，受電弓滑板[7]等對其材料的耐磨性有著一定的要求,這對碳纖維復合材料提出了新的要求。目前碳纖維復合材料的摩擦性能研究多集中在短切纖維與碳纖維粉末作為增強相的復合材料中，這與上述領域中所應用的連續碳纖維復合材料有所不同。因此，有必要對目前市面上生產數量最多的碳纖維增強環氧樹脂復合材料摩擦性能進行研究，探究其在各種條件下的摩擦性能表現。

1 試驗研究

1.1 試驗材料及設備

試驗材料為某公司生產的碳纖維增強環氧樹脂材料,通過預浸料熱壓罐成型工藝制備。預浸布型號為FAW200RC36，材料性能參數如表1所示，單層厚度為0.2 mm，其中樹脂的體積比為36%，鋪層角度為±45°其中，E1為縱向彈性模型；E2為橫向彈性模性；G12為剪切模型；v12為泊松比；Xt為縱向拉伸強度；Xc為縱向壓縮強度；Yt為橫向拉伸強度；Yc為橫向壓縮強度；S為層間剪切強度。預浸料的樹脂型號為YPH-42T，其性能參數如表2所示。

表1 FAW200RC36預浸料性能參數

表2 YPH-42T環氧樹脂性能參數

本次試驗選用HT-1000型高溫摩擦磨損試驗機進行摩擦磨損試驗，摩擦試驗機基本工作原理為利用溫度控制爐設定爐內溫度，在載荷控制桿上加載試驗所需載荷，電機驅動固定摩擦試樣的旋轉臺轉動，使其與對偶件(球或栓)進行摩擦。采用球-盤式摩擦副，設定摩擦半徑為3 mm，測試時間為30 min。試樣磨損體積通過表面輪廓儀測量輪廓曲線進行積分獲得，試驗設備如圖1所示。

圖1 試驗儀器

1.2 試驗方法和性能表征

正交試驗設計(orthogonal experimental design)是研究多因素多水平的一種設計方法，具有高效率、快速、經濟的特點，并廣泛應用于制藥，生物，機械等試驗研究[8-9]。試驗時采用球-盤配置的HT-1000高溫摩擦磨損試驗機測試，碳纖維復合材料試樣尺寸為Φ26mm×10mm,對磨材料為直徑6 mm的GCR15球，洛氏硬度達60～62 HRC。復合材料行業內多采用巴氏硬度，由巴氏硬度計測量10次取平均值，為65.4HBa。試樣放置在摩擦試驗機的旋轉臺上，由壓片固定。轉速通過旋轉臺控制，載荷通過上方對偶件施加。摩擦過程初期為復合材料表面樹脂材料與對偶球對磨，隨著摩擦進行，摩擦行為最終轉變為樹脂與碳纖維材料共同參與摩擦。考察載荷、轉速和溫度3個因素在3個水平上對摩擦性能的影響，因此選用的正交表為L9(34)。正交試驗方案如表3所示，每個方案試驗兩次，測試時間均為30 min。摩擦系數通過高溫摩擦試驗機采集，采用表面輪廓儀對摩擦后的試樣進行磨損體積探測，碳纖維復合材料的磨損率[10]為：

W=V/(S·F)

(1)

式中：W為磨損率；V為磨損體積；F為法向載荷；S為摩擦距離。

表3 正交試驗方案

2 試驗結果與分析

2.1 摩擦系數

對正交試驗進行方差分析，取穩定磨損階段時摩擦系數的平均值代入計算。表4為試驗的方差結果表，采用F檢驗法來進行各因素對結果的顯著性判斷。將因素A的F與顯著性水平α臨界值Fα進行比較，若結果大于臨界值則表明因素對結果有顯著影響。對于一般的工程問題，α通常選為0.01～0.10[11]，本文選取α=0.05，查表得F(2,11)=3.98。觀察方差分析表4可知，3個因素中，載荷與轉速對摩擦系數作用顯著，溫度不太顯著。由此可見在此摩擦情況下，載荷和轉速是影響碳纖維復合材料摩擦系數的重要因素。因此在原有的基礎上重新設計新的試驗，重點研究載荷與轉速對摩擦系數的具體影響。

表4 摩擦系數方差分析表

2.1.1 載荷對摩擦系數的影響

選取試驗編號1,試驗條件為載荷10 N,轉速560 r/min,室溫，并在不改變轉速與溫度條件下，增加載荷到20 N,對比觀察載荷對摩擦系數的影響。不同載荷時的摩擦系數變化如圖2所示。

圖2 不同載荷下摩擦系數圖

由圖2可知，①當載荷較低時，碳纖維復合材料經過很短的磨合階段后便進入了穩定磨損階段，摩擦系數無下降趨勢，但此時摩擦系數并不穩定，上下波動明顯；②當載荷較高時，試件摩擦系數經過磨合階段后有明顯下降，下降到一定數值后趨于穩定。并且與低載荷相比，摩擦系數波動較小。③低載荷與高載荷相比，整體摩擦系數較高，即隨著載荷增加，摩擦系數下降。

2.1.2 轉速對摩擦系數的影響

選取試驗編號4,試驗條件為載荷15 N,轉速560 r/min,溫度60 ℃,在不改變載荷與溫度條件下，改變轉速到1 120 r/min，對比觀察轉速對摩擦系數的影響。不同轉速時摩擦系數的變化曲線如圖3所示。

圖3 不同轉速下摩擦系數圖

由圖3可知，①當轉速較低時，摩擦系數迅速到達一較高值，此后摩擦系數雖然有所波動但整體趨于穩定，無上升或下滑趨勢。②當轉速較高時，摩擦系數跑合階段的時間較低轉速有明顯的增加，約在8 min時結束，此時摩擦系數達到峰值。而后摩擦系數下降，約在20 min時進入穩定磨損階段，此后摩擦系數波動小，整體趨于穩定。③高轉速整體摩擦系數都低于低轉速，即隨著轉速的提高，摩擦系數下降。

2.2 磨損率

采用相同的試驗方法得到磨損率方差分析表，如表5所示。由表5可知，與摩擦系數不同，轉速對于磨損率有著最顯著的影響，同時溫度作用顯著程度上升，由此可見溫度對于磨損率同樣有著相當重要的影響。由于此前加做了對于載荷與轉速的試驗，因此只需要加做溫度影響的試驗。選取試驗編號5，試驗條件為載荷15 N,轉速840 r/min,溫度100 ℃，在不改變載荷與轉速條件下，改變溫度到室溫，對比觀察溫度對磨損率的影響。

表5 磨損率方差分析表

2.2.1 載荷對磨損率的影響

不同載荷下的磨損率如圖4所示。從圖4可知，磨損率隨著載荷的增大而上升，20 N相比10 N磨損率上升了26.1%。推斷這主要是由于試樣為預浸料鋪放而成，預浸料中碳纖維束編織紋理的作用造成表面凹凸不平，對偶件與試樣實際接觸面積與表觀接觸面積有較大差異。當載荷較低時，對偶件鋼球對試件壓力較小，摩擦接觸面積較小，表面的微觀形態為數量較少的微凸體接觸。由于粗糙度的差異，實際接觸面積小于理論接觸面積，接觸多為彈性接觸，故樹脂塑性變形不大。摩擦過程中的剪切力較小，環氧樹脂與少量暴露出來的碳纖維增強體共同承擔剪切作用，因而磨損量較小。

圖4 不同載荷下的磨損率

2.2.2 轉速對磨損率的影響

不同轉速下的磨損率如圖5所示。從圖5可知，隨著轉速的提升，磨損率增大，轉速提升使磨損率上升了38.9%。轉速對復合材料磨損率的影響主要在于轉速不同時摩擦表面聚集的摩擦熱不同。轉速增大時，機械能轉變成的摩擦熱在摩擦表面快速聚集，由于樹脂材料的導熱性較差，使得摩擦表面溫度很高，表面局部地區出現閃溫。閃溫的溫度已經超過了環氧樹脂的熔點。高溫使得復合材料表面樹脂熔融，從而使得抵抗變形能力減弱。

圖5 不同轉速下的磨損率

2.2.3 溫度對磨損率的影響

不同溫度下的磨損率如圖6所示。從圖6可知，磨損率隨著溫度上升而增加，100 ℃相較于室溫磨損率上升了26.9%。推斷原因是由于溫度較高時，樹脂與碳纖維熱膨脹系數的差異會使得二者變形程度不同[12]，從而降低碳纖維與樹脂的結合程度。另一方面100 ℃已經靠近環氧樹脂的玻璃化溫度[13]，環氧樹脂玻璃化后分子鏈段運動加劇，樹脂材料發生軟化，流動性增強，造成復合材料的粘彈性程度增大，因此粘著磨損增多，磨損加劇。

圖6 不同溫度下的磨損率

3 結論

(1)在載荷、轉速與溫度3個因素中，載荷與轉速對碳纖維復合材料摩擦系數影響顯著，而溫度作用不明顯；三者均對磨損率有顯著影響。

(2)隨著載荷與轉速的上升，碳纖維復合材料摩擦系數出現一定程度的下降；對磨損率而言，載荷、轉速和溫度三者的增大均會使磨損率增大。

(3)載荷對磨損率影響主要源自接觸面積的增大，造成塑性變形增多；轉速對磨損率的影響原因主要是試樣表面熱量的快速聚集，樹脂出現軟化熔融；溫度對磨損率影響的原因是溫度造成樹脂機械性能下降，層間剪切強度降低。