基于鈦碳化鋁復合材料的體育器材摩擦磨損性能分析

李揚 洪劍 董軍 李享

摘要：體育器材在使用過程中容易受到不同程度的摩擦磨損，從而導致器材的使用壽命變短。所以為了增強體育器材的抗磨損性能，文章通過實驗研究的方式對鈦碳化鋁復合材料的摩擦磨損性能進行分析。實驗結果表明，鈦碳化鋁復合材料摩擦磨損性能服從微凸體干涉機制，并且當滑動速度不斷增加時，材料摩擦表明會形成一種氧化物薄膜，具有降低材料摩擦阻力的作用，且滑動速度越大，該氧化物薄膜的覆蓋就會越大、越均勻，更有利于降低摩擦阻力;另外，法向荷載也會對影響材料性能，當其不斷增加時，材料的摩擦系數就會隨之不斷降低。總之，鈦碳化鋁復合材料具有較好的抗摩擦磨損作用，能夠在體育器材中具有較好的使用效果。

關鍵詞：鈦碳化鋁復合材料;體育器材;摩擦磨損

中圖分類號：TQ050.4⁺8 文獻標識碼：A 文章編號：1001-5922（2021）02-0071-05

隨著人類對體育運動的重視程度不斷提高，越來越多的人開始進行體育運動，從而帶動了體育器材的快速發展。由于材料對體育器材的性能起決定性作用，傳統的體育器材的抗擊強度弱、抗腐蝕差、耐摩擦性不好等，導致體育器材的使用壽命比較短，并且會降低體育器材的性能和使用效果。于是人類不斷研制性能更好的材料用于體育器材中，如今復合材料已經在體育器材中發揮重要且廣泛的作用，提高了體育器材的綜合性能。鈦碳化鋁復合材料作為一種性能較好的材料，具有較高的強度、抗破壞機制好、抗氧化性能好，而且還具有很好的抗摩擦性能。由于體育器材的用途和使用環境，容易受到各種摩擦，從而影響到體育器材的外觀、使用效果和性能，所以將鈦碳化鋁復合材料用到體育器材中能夠提高器材的使用壽命。文章將以鈦碳化鋁復合材料為研究對象，通過實驗研究的方式對其摩擦磨損性能進行分析。

1實驗材料、儀器和方案

1.1實驗材料和儀器

實驗所需要的材料就是鈦碳化鋁復合材料塊，該塊狀物體的長寬高分別為10mm、10mm、12mm。

實驗所需的儀器有掃描電子顯微鏡、精密電子天平秤、能譜分析儀、X-射線衍射儀等。

1.2實驗方案

文章對鈦碳化鋁復合材料摩擦學特性進行研究，然后還會研究速度、法向荷載等因素對鈦碳化鋁復合材料摩擦磨損的影響。實驗是在室溫環境下進行，對試樣進行摩擦磨損實驗的狀況為干摩擦狀況。實驗中設計的法向壓強范圍為0.2-0.6MPa，設計的摩擦滑動速度范圍為20～30m/s。然后通過計算機系統自動檢測摩擦系數，為了得到更為精確的結果，進行三次實驗然后取其平均值作為結果。使用精密電子天平秤計算試樣的質量損失，每一個試樣的摩擦時間為2min。當需要對荷載進行改變時需要對試樣預磨2min，此做法的目的在于降低摩擦不穩定因素。另外，試樣在摩擦過程中會產生溫度升高情況，會影響到實驗結果，于是為了降低其影響，當每次完成實驗之后，需要將摩擦副自然散熱。摩擦磨損實驗過程中的各種數據結果會在Pc機上進行實時顯示和存儲，然后還會使用Origin軟件對數據進行處理。實驗中將會使用掃描電子顯微鏡對試樣摩擦面形貌進行觀察分析，通過使用X-射線衍射儀對試樣磨損面物相組成進行分析，通過使用配套的能譜分析儀對試樣摩擦表面的元素成分進行分析。

2鈦碳化鋁復合材料的摩擦磨損特性

試樣在進行連續滑動摩擦過程中，雖然其中滑動速度保持不變，但是該行為是很不穩定，主要表現在摩擦系數出現紊亂波動的狀況。因為在摩擦過程中，摩擦面受到的摩擦狀況因為各種因素導致其存在不均衡現象，于是摩擦產生的熱力也會出現不均勻現象，就會存在失穩現象。而且在摩擦過程中，整個試樣的元素、電能、化學能和光能等都會發生相互轉化，于是就會打亂試樣的平衡，然后出現磨損狀況。

2.1摩擦的微凸體理論

任何—個物質表面經過加工之后，即使其加工非常的精細化，但是其表面也會是粗糙不平的，表面有很多的微凸峰和凹谷，將其稱作為微凸體。在干摩擦狀態下，影響鈦碳化鋁復合材料的摩擦磨損主要因素在于表面幾何特征。另外，法向荷載和滑行速度也會影響摩擦磨損，其影響是通過改變接觸面微凸體的性質。摩擦接觸面上微凸體相互干涉示意圖如圖1所示。

摩擦表面上微凸體的高度服從正態分布，于是其高度概率密度p（z）的表達式如下所示：

該公式為標準正太分布，pn（z）表示的是概率密度函數，即微凸體不同高度出現的概率。

有研究表明，物體表面因為凸凹不平，所以在摩擦過程中兩個接觸面的實際面積占比非常小。所以物體之間的摩擦力實際上只與接觸面微凸體相關。有學者對摩擦面的實際接觸狀況進行過研究，其結果表面物體在摩擦過程中一對微凸體不是同時發生破壞，而是逐個發生破壞，一對微凸體指的是兩個摩擦面上相互接觸的微凸體。

2.2摩擦系數的隨機波動性

鈦碳化鋁復合材料之間摩擦時主要是微凸體接觸偶對的破壞，這種破壞是基于鏈式反應模型，最先開始找到破壞的偶對就是最為薄弱的偶對，并且具有隨機性。于是就會導致鈦碳化鋁復合材料摩擦力具有隨機性，最終就會導致摩擦系數大小具有隨機波動的性質。

圖2即為瞬時摩擦系數曲線，此時的法向荷載為0.2MPa，滑動速度為30m/s。從圖中可以看出，摩擦系數圍繞某一個數值進行上下波動，而且其上下波動狀態屬于隨機性。出現這種現象的主要原因在于微凸體干涉機制有關。通過頻率統計，得到如圖3所示的頻率統計直方圖，該圖正好與圖2的摩擦系數相對應。圖3的結果表明鈦碳化鋁復合材料摩擦系數具有隨機波動性，并且其波動符合正態分布。

3影響鈦碳化鋁復合材料摩擦磨損性能的因素

3.1滑動速度

滑動速度作為影響摩擦系數非常重要的因素之一，于是文章保持法向壓強不變，然后研究滑動速度對鈦碳化鋁復合材料摩擦磨損性能的影響。結果如圖4所示，從圖中可以看出，當法向荷載為0.2MPa時，滑動速度不斷增加，最終增加到30m/s，鈦碳化鋁復合材料的磨損率不斷增加，且為1.77x10^-6mm³/N·M，大致增加了0.41x10^-6mm³/N·M。當法向荷載不斷增加，即為0.4MPa和0.6MPa時，摩損率的變化趨勢為不斷下降，所以當滑動速度為30m/s，這兩種法向荷載下的磨損率最低。

當法向壓強保持不變時，滑動速度對鈦碳化鋁復合材料摩擦系數的影響如圖5所示，從圖中可以看出，當法向荷載為0.2MPa時，滑動速度不斷增加時，摩擦系數不斷降低，且當速度為30m/s時，摩擦系數降低到0.19，降低了0.09，當荷載不斷增加時，即為0.4MPa時，其摩擦系數也在不斷降低，即速度為30m/s，其摩擦系數最小;當法向荷載為0.6MPa時，摩擦系數處于不斷上升狀態，當滑動速度為30m/s時，其摩擦系數處于最大值。

通過上述分析滑動速度對鈦碳化鋁復合材料磨損率和摩擦系數的影響可知，大體匕是當滑動速度不斷增加時，摩擦系數和磨損率的變化趨勢為不斷降低狀態，于是說明鈦碳化鋁復合材料在比較快的速度摩擦情況下，具有比較好的摩擦磨損性能。有研究表明，鈦碳化鋁復合材料在摩擦過程中，摩擦面會生成一種氧化物薄膜，從而達到減低摩擦的損失，于是就會降低摩擦系數。當摩擦速度不斷提高時，這種氧化物的生產速度將會更快，于是就會達到比較明顯的減膜效果。但是是否會形成這種氧化物薄膜還需要進一步證實。

3.2法向荷載

法向荷載也是影響鈦碳化鋁復合材料摩擦磨損性能的重要因素。于是文章將對該因素進行實驗研究，法向荷載對鈦碳化鋁復合材料磨損率的影響結果如圖6所示。從圖中可以看出，當滑動速度保持不變，法向荷載不斷增加時，磨損率的變化趨勢是先降低后增加;當速度為20m/s，法向荷載為0.6MPa時，磨損率增加到2.32×10^-6mm³/N·M，增加了0.96x10^-6mm3/N·M，其增加幅度是比較小的;當法向荷載為0.6MPa時，速度快的具有更低的磨損率。

圖7為法向荷載對摩擦系數的影響結果。從圖中可以看出，當速度為20m/s時，隨著法向荷載的不斷增加，摩擦系數的變化趨勢為不斷降低，當法向荷載為0.6MPa時，摩擦系數降低到0.17，降低了0.08;當速度為30m/s時，隨著法向荷載的不斷增加，摩擦系數先降低后小幅度提高，于是在法向荷載為0.4MPa時，摩擦系數最小，但是與法向荷載為0.6MPa時的摩擦系數相差很小。

4鈦碳化鋁復合材料磨損面的狀態分析

通過上述分析之后能夠了解到滑動速度對材料的摩擦磨損性能影響比較大，而法向壓強也具有一定的影響，但是沒有滑動速度影響大。上述結論表明當滑動速度增加時，材料的磨損率和摩擦系數呈現降低的趨勢，即材料具有更好的摩擦性能。

圖8為不同滑動速度下材料磨損面形貌的SEM觀察圖，從圖中可以觀察到，當滑動速度不同時，摩擦面會形成不同形貌的薄膜，當速度不斷增加時，其薄膜的覆蓋率就會增加，并且均勻性也會增加。

當滑動速度為30m/s時，薄膜成分的EDS分析結果如圖9所示，表1即為鈦碳化鋁復合材料磨損面的元素比例圖。從圖9和表1中可以看出，摩擦面所產生的薄膜主要包含的元素有O、AI、Ti，另外，還存在少量的Sn和C，于是可以判斷經過摩擦之后的鈦碳化鋁復合材料表面形成的氧化物薄膜主要的組成成為有A1、Ti和Sn。

5結語

通過上述實驗表明，鈦碳化鋁復合材料在高速摩擦情況下具有較好的抗摩擦磨損性能，因為在滑動速度較大的情況下，材料摩擦面會形成摩擦氧化物薄膜，且當速度越大時，該薄膜越多、越均勻，這種薄膜能夠能夠降低鈦碳化鋁復合材料的摩擦阻力，于是將其應用到體育器材中，能夠大大提高體育器材的耐摩擦性能，于是有助于提高器材的使用壽命。