級配碳化硅/環氧樹脂復合材料沖蝕性能研究

劉洋++朱文婷++惠瑞敏

摘 要：該文主要研究了碳化硅/環氧樹脂復合材料的沖蝕磨損性能，分析了顆粒級配搭配對于復合材料耐沖蝕性能與力學性能的影響，并且討論了沖蝕磨損機理以及偶聯劑對于復合材料體系的作用。為了獲得最優的耐沖蝕性能，利用田口法設計了實驗，對級配顆粒結構進行了優化。結果表明：級配顆粒搭配具有增加硬質點、提高密度、降低磨損率的作用，當級配體系為70%550μm、30%110μm時，試驗固相含量高。耐沖蝕效果較好。

關鍵詞：復合材料 級配結構 沖蝕磨損 耐沖擊材料

中圖分類號：TT323.5 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）11（a）-0069-02

根據以往對沖蝕磨損的研究，對于耐沖擊材料來說，增大表面的粗糙度，增加材料的硬質點，對于發生彈性碰撞比例非常重要。另外，在對于靶材沖擊時，會發生顆粒的斜沖擊碰撞，這會造成微切削和微犁耕磨損，為了防止這種磨損，加入基體硬質顆?？梢宰柚剐睕_擊碰撞所帶來的損耗，并且由于硬質顆粒作用，斜沖擊粒子所帶來的能量將平行與表面進行轉移。斜沖擊粒子在撞擊過后，撞擊動能將平行于試樣表面進行能量轉移，減少對試樣的磨損。因此增加材料的硬質點，提高材料的固含量可以有效地降低磨損率。

為了解決以上問題，該文通過加入級配的SiC顆粒，旨在提高固相含量，增加其硬質點，并且著重研究了級配粒子搭配對抗沖蝕性能和沖擊性能的影響，探討了粒子抗沖蝕性的作用，同時也研究了不同偶聯劑、偶聯劑含量對于復合材料界面的作用。

1 實驗方案

1.1 試樣的制備

將預處理后的SiC顆?；騍iC（長興納華碳化硅材料有限公司）級配顆粒與環氧樹脂體系（htc9017∶htc130=3∶1，蘇州圣杰）混合均勻，抽真空，于50 ℃下真空攪拌，除氣泡。將漿料倒入到10 mm×10 mm×50 mm模具當中，分別以80 ℃兩個小時，100 ℃一個小時，120 ℃一個小時，160 ℃后固化兩個小時。

1.2 測試方法性能表征方法

（1）掃描電子顯微鏡（Quanta-200，FEI）。

（2）沖蝕磨損試驗機。

沖蝕實驗采取沖蝕漿料為質量分數80%的SiC砂漿，漿液pH值為7～8，溫度25 °C，試驗周期為24 h，每隔2 h停機稱量一次質量。沖蝕磨損相對含量為：

（1）

2 結果與討論

2.1 級配設計

級配骨架的設計：

為了獲得最大密度，我們借鑒了堆積理論，等徑球按密排方式進行排列，其堆積率為74%，空隙率為24%；在此基礎上，為了填入一級顆粒的縫隙，引入二級顆粒，由“貝雷法”可知其直徑約為一級顆粒的22%，填入后，堆積率變為81%，空隙率為19%；當三級顆粒引入體系后，體系的堆積率將進一步增大。

CAVF法（粗集料孔隙填充法）是一套設計骨架密實混凝土的方法。在CAVF法中，細集料體積、礦粉體積與粘合劑體積用來填滿主骨架的間隙。依據這個原理，在此基礎上針對于本實驗特點，對原有公式進行修改，得式（2）。

其中 （2）

q1、q2、q3、qe分別為一、二、三級顆粒的質量分數，ρ2ρ3為一、二、三級顆粒的表觀密度，ρe為環氧樹脂密度ρd為緊裝密度，VCA為一級顆粒的孔隙率。

依據前有研究關于顆粒大小對沖蝕性的影響，我們選取主要骨架顆粒大小為550μm，依據填充理論，選取二、三級顆粒大小分別為150μm、40μm，測得一、二、三級表觀密度分別為2.35g/cm-3、2.83g/cm-3、2.96g/cm-3，一級顆粒的緊裝堆積密度為1.74g/cm-3，孔隙率VCA計算得23.5%。

在混凝土結構中，礦粉的質量一般為6%，借鑒于此，我們選定q3為6%；根據復合材料需要，環氧樹脂為8%。依據式（2）求得剩下兩級顆粒的百分含量為q1=79.9%、q2=10.1%。

不同實驗條件下，級配復合材料的耐磨性。

對于上文設計的級配復合材料，我們設計正交實驗，在不同條件下，級配復合材料的耐磨性。其中沖蝕速度選為400，600，800 r/min，砂漿濃度選為75%，85%，95%，磨粒直徑為300μm，550μm，800μm，砂漿pH調節為3，7，11。

我們利用Minitab軟件對不同充實條件下的磨損量進行分析，如圖1，從圖中我們可以發現，在不同的沖蝕條件下，具有骨架結構的試樣耐沖蝕性都比單一顆粒的試樣好。

2.2 沖蝕理論分析與微觀結構討論

在實驗中，我們發現沖蝕磨損量與沖蝕時間是有一定關系的。如圖2所示，脆性的環氧樹脂在復合體系當中存在潛伏期。從圖中可知，沖擊磨損率可以分為三個階段。第一個階段是潛伏期，靶材的質量首先會增加，這是因為最初沖擊的有些顆粒會陷入到材料表面當中，這其中有一些顆粒沖擊陷入在材料表面會并使材料表面鼓起，形成小丘狀表面；有一些顆粒會陷入到材料顆粒與顆粒之間的縫隙里，這部分陷入的顆粒，可以降低接下來沖擊顆粒對靶材進行沖擊磨損的幾率。隨著沖擊的繼續，材料進入了第二個階段—— 平穩期。這時材料由于粒子陷入材料當中的質量與材料磨損的質量基本一致。當到達第三階段時進入磨損期，進一步的磨損而使顆粒逐漸凸出。如圖3，這時以前撞擊引起顆粒與樹脂之間的界面裂紋將進一步擴展，并且粘結面積也會減少，當粘接面積減步到一定程度后.填料顆粒與膠體基體的粘接強度不足以抵抗磨料的沖擊力時，磨損將以靶材小塊面積整體脫落，并且以前陷入靶材中的顆粒也會跟著脫落。此外，如圖3當顆粒陷入樹脂當中，在其周圍形成小丘狀凸起，由于連續的沖擊，陷入的粒子與樹脂進行不停地摩擦，使其周圍含有裂紋，在磨損時也會率先發生斷裂。

同時，對比級配顆粒與單一顆粒條件下的形貌，可以發現級配帶入了更多的硬質點，可以有效地減少磨損期內的磨損量。如圖5，當提高硬質點含量時，可以增加材料彈性碰撞比例，從而減少材料微裂紋的發生，降低了沖蝕磨損。

3 結論

級配顆粒結構可以增加材料的硬質點，提高材料的耐沖蝕性能。經過田口法進行級配優化，當70%550 mm∶30%110 mm時具有最好的耐沖蝕效果，并且級配結構的力學性能處在，單一顆粒填充與純環氧樹脂之間。

參考文獻

[1] 邵荷生，曲敬信，許小棣，等.摩擦與磨損[M].北京：煤炭工業出版社，1992.

[2] 張清.金屬磨損和金屬耐磨材料手冊[M].北京：冶金工業出版社，1991.

[3] 李詩掉，董棒林.材料的沖蝕磨損與微動磨損[M].北京：機械工業出版社，1987.

[4] 潘家錚，何憬.中國大壩50年[M].北京：中國水利水電出版社，2000.

[5] 陳冠國，褚秀萍，張宏亮，等.關于沖蝕磨損問題[J].河北理工學院學報：1997，9（4）：27-32.

[6] 馬壯，楊杰，孫方紅，等.純銅材表面煤矸石陶瓷涂層的制備及耐沖蝕磨損性能[J].材料保護，2014；47（2）：22-23.endprint