改性玄武巖纖維對(duì)Al基復(fù)合材料耐磨性的影響

楊建林，王俊杰，李　闖，龍律位，李永靖

(遼寧工程技術(shù)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，阜新　123000)

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改性玄武巖纖維對(duì)Al基復(fù)合材料耐磨性的影響

楊建林，王俊杰，李闖，龍律位，李永靖

(遼寧工程技術(shù)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，阜新123000)

為研究玄武巖纖維(BF)對(duì)Al基復(fù)合材料耐磨性的影響，通過(guò)化學(xué)鍍銅對(duì)BF進(jìn)行表面改性，利用粉末冶金法制備了不同BF含量的Al基復(fù)合材料，研究了耐磨性隨BF含量的變化規(guī)律。結(jié)果表明：鍍銅處理后BF表面存在厚度均勻的銅膜；隨著B(niǎo)F含量的增加，試樣密度逐漸減?。籅F含量增加，試樣硬度先增加后減小，BF含量為5%時(shí)硬度最大，與不含BF的試樣相比，硬度提高了13.8%；隨著B(niǎo)F含量的增加，試樣磨損率先減小后增加，BF含量為5%試樣的磨損率最小，與不含BF的試樣相比，磨損率降低了71.3%；BF含量較低時(shí)，磨損機(jī)制以磨粒磨損為主，BF含量較高時(shí)，磨損機(jī)制以剝離磨損為主。

玄武巖纖維； 復(fù)合材料； 化學(xué)鍍銅； 耐磨； 粉末冶金

1　引　言

玄武巖纖維(basalt fiber，簡(jiǎn)稱BF)是將熔融的玄武巖高速拉制而成的一種高性能無(wú)機(jī)纖維，與碳纖維、超聚乙烯纖維和芳綸等其它高科技纖維相比，BF具有耐磨、耐高溫、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)[1]。另外，BF的原料來(lái)源充足且價(jià)格低，是BF研究和利用的重要優(yōu)勢(shì)之一。以BF為增強(qiáng)體的復(fù)合材料已在多個(gè)領(lǐng)域展開(kāi)研究和應(yīng)用，如：防火隔熱、基礎(chǔ)建設(shè)、環(huán)境防護(hù)、結(jié)構(gòu)材料和國(guó)防軍工等方面，BF被譽(yù)為 21 世紀(jì)可持續(xù)發(fā)展的新型綠色無(wú)機(jī)非金屬材料[2]。

復(fù)合材料是高性能纖維的重要應(yīng)用途徑之一，以BF為增強(qiáng)體的復(fù)合材料，目前研究主要集中在混凝土復(fù)合材料和聚合物復(fù)合材料[3,4]，以金屬為基體的BF復(fù)合材料方面的研究較少。纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料是一類得到最早研究及應(yīng)用的復(fù)合材料，具有優(yōu)異的力學(xué)性能[5]。選擇合適的基體和增強(qiáng)體，以及相應(yīng)的制備方法，纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料可以具有很高的性能，如高比強(qiáng)度、高耐磨損、高比剛度，低膨脹性和抗疲勞等[6]。界面是復(fù)合材料的重要組成之一，起到連結(jié)增強(qiáng)體與基體以及傳遞分配載荷的作用，對(duì)復(fù)合材料的性能產(chǎn)生重要影響[7,8]。利用液相浸滲法制備的BF增強(qiáng)Al基復(fù)合材料，強(qiáng)的界面結(jié)合使得復(fù)合材料呈現(xiàn)脆性斷裂特征[9]。改善BF與Al間的界面結(jié)合強(qiáng)度是BF增強(qiáng)Al基復(fù)合材料下一步的研究重點(diǎn)。為了避免高溫下BF與Al基體強(qiáng)烈的界面反應(yīng)，需將制備溫度降低，在液相線以下BF與Al界面結(jié)合弱，這就需要預(yù)先對(duì)BF表面進(jìn)行改性處理?；瘜W(xué)鍍銅是一種常用的表面改性方法，已有較多研究在碳纖維表面進(jìn)行化學(xué)鍍銅[10,11]。但是，在BF表面進(jìn)行化學(xué)鍍銅方面的研究國(guó)內(nèi)外鮮見(jiàn)報(bào)道。本文通過(guò)化學(xué)鍍銅對(duì)BF表面進(jìn)行改性處理，利用粉末冶金法制備了不同含量的BF增強(qiáng)Al基復(fù)合材料，對(duì)復(fù)合材料的密度、硬度、耐磨性和磨損形貌進(jìn)行表征，研究了BF含量對(duì)Al基復(fù)合材料耐磨性的影響規(guī)律。

2　試　驗(yàn)

2.1試驗(yàn)原料

試驗(yàn)原料包括：短切BF(長(zhǎng)度2 mm，直徑10 μm，浙江金石)，Al粉(75 μm，純度≥99%，福晨化學(xué)試劑)，Mg粉(75 μ m，純度≥99.5%，天津風(fēng)船)，Cu粉(75 μm，純度≥99.7%，國(guó)藥試劑)，酒石酸鉀鈉(純度≥99%，遼寧泉瑞)，硫酸銅(純度≥99%，沈陽(yáng)力誠(chéng))，氯化鈀(純度≥99%，陜西開(kāi)達(dá))，氫氧化鈉(純度≥96%，遼寧泉瑞)，氯化亞錫(純度≥98%，天津風(fēng)船)，無(wú)水乙醇、甲醛、丙酮(分析純，遼寧泉瑞)。

2.2試驗(yàn)過(guò)程

BF表面鍍銅：分為BF預(yù)處理和鍍銅兩個(gè)步驟。

BF預(yù)處理：將BF放入超聲波清洗機(jī)(FRQ-1004T)中，分散均勻。放入丙酮浸泡1 h，去膠后清洗干凈。在NaOH(50 g/L)溶液中浸泡10 min，粗化BF表面。在氯化亞錫(10 g/L)與鹽酸(30 ml/L)的混合溶液中浸泡10 min，對(duì)BF敏化。將HCl(15 mL/L)和PdCl2(0.5 g/L)溶入蒸餾水，將BF浸泡10 min，進(jìn)行活化。

鍍銅：對(duì)預(yù)處理后的BF進(jìn)行化學(xué)鍍銅。鍍液配方：CuSO4·5H2O(10 g/L)，酒石酸鉀鈉(50 g/L)，甲醛(12 mL/L )，NaOH(10 g/L)。鍍液中，CuSO4為主鹽、酒石酸鉀鈉為絡(luò)合劑、甲醛作為還原劑、NaOH作為pH緩沖劑。將鍍液放入水浴鍋(EMS-30)中，溫度設(shè)定為50 ℃，pH值在12～13之間。鍍銅10 min后，用蒸餾水清洗BF，然后放入干燥箱中烘干。

復(fù)合材料制備。金屬基體選用Al-Cu-Mg，其中Mg的含量(質(zhì)量含量)為2%，Cu的含量為4.5%，余量為Al。試樣中BF的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0%、1%、2%、3%、4%、5%、6%、7%、8%，每個(gè)試樣的質(zhì)量為5 g。利用電子天平(AL104)稱量Al粉、Mg粉、Cu粉和鍍銅BF，放入瑪瑙研缽中。采用濕法混料，倒入石油醚沒(méi)過(guò)粉末表面，研磨均勻。石油醚揮發(fā)完后，利用內(nèi)徑φ20 mm的模具，在壓力試驗(yàn)機(jī)(WE-30)上將粉末冷壓成型，在600 MPa的壓力下保壓5 min，使應(yīng)力分布均勻。將試樣取出后放入無(wú)縫鋼管，將無(wú)縫鋼管密封，放入箱式熱處理爐(SR0X)，在400 ℃保溫1 h，然后升溫到640 ℃保溫2 h，隨爐冷卻。

利用X射線熒光分析儀(XRF，XRF-1800)測(cè)試BF的成分。通過(guò)激光共聚焦顯微鏡(OLS4000)觀測(cè)BF鍍銅前后的表面形貌。利用阿基米德排水法測(cè)量試樣的密度。通過(guò)X射線衍射儀(XRD，XRD-6100)檢測(cè)試樣物相。利用數(shù)顯布氏硬度計(jì)(HBS-3000)測(cè)量試樣硬度，壓頭直徑為10 mm，所加載荷2500 N，加載時(shí)間30 s，每個(gè)試樣測(cè)量3次。利用磨粒磨損試驗(yàn)機(jī)(ML-10)進(jìn)行磨損試驗(yàn)，采用280目(40 μm)的砂紙作為摩擦副，參數(shù)為：室溫、磨損時(shí)間4 min、法向載荷30 N。利用磨損率I表征試樣的耐磨性：

I=Δm/A

(1)

其中：Δm為試樣的質(zhì)量減少，單位為g；A為磨損面的面積，單位cm2。通過(guò)掃描電子顯微鏡(SEM，SSX-550)觀測(cè)磨損后試樣的表面形貌。

3　結(jié)果與討論

3.1BF的成分和物相分析

表1為利用XRF測(cè)得的BF的成分。從表中可以看出，BF的成分主要為SiO2和Al2O3，含量分別為55.62%和13.57%。圖 1為BF的XRD圖，可以看出在20°～35°之間存在非晶饅頭峰，BF的組成成分以非晶態(tài)結(jié)構(gòu)存在。在BF的制備過(guò)程中，熔融玄武巖經(jīng)過(guò)高速拉制，冷卻時(shí)原子保存了液態(tài)時(shí)的無(wú)序結(jié)構(gòu)，因此BF為非晶體。

表1BF的成分

Tab.1Composition of basalt fiber

成分SiO2FeOMgOFe2O3TiO2Al2O3CaONa2OK2OP2O5Content/wt%55.629.464.312.191.0913.578.742.961.640.42

圖1　BF的XRD圖Fig.1　XRD pattern of BF

3.2BF鍍銅前后形貌

圖2為利用激光共聚焦顯微鏡測(cè)得的BF鍍銅前后的表面形貌。圖2a為BF鍍銅前的形貌，BF的表面光滑，直徑為10～12 μm，低倍下為金色，高倍下為透明狀，由于測(cè)試過(guò)程中纖維放在金屬試樣托表面，使BF與金屬背景顏色相同，呈現(xiàn)灰白色。圖2b為經(jīng)過(guò)鍍銅后的BF，鍍銅后的BF表面存在一層均勻的銅，并且銅表面還存在球狀凸起。

3.3試樣的XRD分析

圖3為試樣的XRD圖。為了使低含量成分的衍射峰更明顯，只給出BF含量為0%和8%兩個(gè)試樣的衍射圖。經(jīng)過(guò)物相分析，不含BF試樣中衍射峰為Al的衍射峰；BF含量為8%的試樣，主相為Al，另外還存在Al2Cu及SiO2， 其中Al2Cu作為硬化相，由BF表面的Cu與Al發(fā)生反應(yīng)生成，能夠顯著提高試樣的硬度和耐磨性，SiO2晶體為BF的非晶態(tài)氧化硅在試件制備過(guò)程中發(fā)生晶化形成的。根據(jù)BF的DSC升溫曲線，在400～1 300 ℃的溫度范圍內(nèi)，存在一個(gè)很寬的吸熱峰，這是由于BF內(nèi)部由[SiO4]四面體形成的鏈狀骨架結(jié)構(gòu)，在高溫下結(jié)構(gòu)逐漸發(fā)生破壞，纖維不斷地發(fā)生熔融轉(zhuǎn)變，逐漸發(fā)生析晶變化[12]。試驗(yàn)過(guò)程中，試樣的制備溫度為640 ℃，在保溫過(guò)程中BF逐漸發(fā)生析晶變化，BF中非晶態(tài)的氧化硅逐漸轉(zhuǎn)變成晶態(tài)的氧化硅，但由于溫度較低、保溫時(shí)間較短，晶態(tài)氧化硅的晶粒很小，使得XRD圖譜中衍射峰的寬度較寬。Al2Cu和SiO2的峰強(qiáng)隨著試樣中鍍銅BF含量的增加而增強(qiáng)。

圖2　BF鍍銅(a)前(b)后的顯微形貌圖Fig.2　Micrographs of BF(a)before copper plating；(b)after copper plating

3.4試樣密度隨BF含量的變化

圖4為密度隨試樣中BF含量的變化規(guī)律。試樣密度隨BF含量的增加逐漸減小。不含BF試樣的密度為2.593 g/cm3，BF含量為8%的試樣密度為2.479 g/cm3，密度降低了4.4%。Al粉表面存在氧化層，影響粉末冶金過(guò)程中原子的擴(kuò)散[13]，另外，隨著B(niǎo)F含量增加，BF之間相互搭接，壓制試樣時(shí)內(nèi)部存在少量空隙，導(dǎo)致試件的實(shí)際密度低于理論值。鋁的密度(2.70 g/cm3)低于BF的密度(2.65 g/cm3)，造成試樣密度隨BF含量的增加而減小。另外，在燒結(jié)時(shí)試樣內(nèi)部存在液相，BF間距變大使試樣體積增大，導(dǎo)致密度隨BF含量的增加而降低[14]。BF含量為8%的試樣，燒結(jié)后側(cè)面存在細(xì)小裂紋，可能是體積膨脹較嚴(yán)重造成的。

圖3　試樣的XRD圖Fig.3　XRD pattern of samples

圖4　試樣密度隨BF含量的變化規(guī)律Fig.4　Relationship between density and BF content of samples

3.5試樣硬度隨BF含量的變化

圖5為BF含量對(duì)試樣硬度的影響。當(dāng)BF含量較少時(shí)，試樣硬度隨BF含量的增加逐漸增加，BF含量為5%時(shí)，硬度達(dá)到最大值，隨后BF增加硬度值逐漸減小。不含BF的試樣硬度為69.7 HBW，當(dāng)BF含量為5%時(shí)，硬度值為79.3 HBW，硬度提高了13.8%。當(dāng)試樣中BF含量較低時(shí)，BF為硬質(zhì)相具有高的硬度，基體發(fā)生塑性變形時(shí)BF起阻礙作用，試樣內(nèi)部發(fā)生應(yīng)力集中，金屬基體中產(chǎn)生高密度的位錯(cuò)對(duì)BF與金屬基體變形的不匹配起到了補(bǔ)償作用，因此試樣硬度值提高[15]。當(dāng)試樣中BF含量增加時(shí)，BF之間的平均距離減小，位錯(cuò)自由運(yùn)動(dòng)的平均路徑變小，試樣硬度提高。另一方面，在試樣燒結(jié)過(guò)程中，Al與BF表面的Cu反應(yīng)生成了Al2Cu，BF含量增加時(shí)，Al2Cu的含量相應(yīng)增加，Al2Cu為試樣中的強(qiáng)化相，試樣硬度得到提高[16]。當(dāng)試樣中BF含量較高時(shí)，冷壓過(guò)程中纖維之間可能相互搭接、團(tuán)聚，試樣內(nèi)部存在孔隙，載荷作用下孔隙周?chē)鷧^(qū)域應(yīng)力集中嚴(yán)重，容易開(kāi)裂形成裂紋，試樣硬度降低[17]。

圖5　BF含量對(duì)試樣硬度的影響Fig.5　Effect of BF content on hardness of samples

圖6　BF含量對(duì)磨損率的影響Fig.6　Effect of BF content on wear rate of samples

3.6試樣耐磨性隨BF含量的變化

圖6給出了BF含量對(duì)試樣磨損率的影響。隨著試樣中BF含量的增加，磨損率先減小后增加，BF含量為5%試樣的磨損率最小。不含BF試樣的磨損率為26.5 mg/cm3，BF含量為5%試樣的磨損率為7.6 mg/cm3，磨損率減小了71.3%。圖7為不同BF含量試樣磨損試驗(yàn)后的表面SEM形貌，圖7a、b、c、d和e分別對(duì)應(yīng)試樣中BF含量為0%、2%、4%、6%和8%時(shí)的表面形貌。可以看出，從圖7a～c，犁溝的寬度和深度逐漸減小，圖7d和e犁溝的寬度和深度與圖7c相比變化不明顯，但圖7d和e中存在脫落狀區(qū)域，相比較而言圖7(e)中脫落狀區(qū)域的面積較大。

圖7　不同BF含量試樣的磨損形貌(×200)(a)0%;(b)2%;(c)4%;(d)6%;(e)8%Fig.7　Wear surfaces of samples with different BF content

在磨損過(guò)程中，在垂直方向載荷的作用下，砂紙表面的SiC顆粒能夠刺入試樣基體中。在切向力作用下，SiC顆粒對(duì)試樣產(chǎn)生切削作用，在試樣表面產(chǎn)生犁溝，磨損機(jī)制以磨粒磨損為主。隨著B(niǎo)F含量的增加，磨損過(guò)程中，BF裸露在試樣表面，BF承受大部分載荷和切削作用力，BF阻礙SiC顆粒對(duì)金屬基體的磨損作用。此外，Al與鍍銅BF表面的Cu形成Al2Cu硬質(zhì)相，降低了SiC顆粒對(duì)Al基體的磨損。因此，當(dāng)BF含量較低時(shí)，磨損率隨BF含量的增加而降低。但是，隨著B(niǎo)F含量的增加，試樣中位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的平均距離減小，試樣的塑性降低。BF之間可能相互搭接，使試樣內(nèi)部孔隙數(shù)量增加，在切向力的作用下，由于應(yīng)力集中作用，孔隙成為裂紋的發(fā)源地，在磨損過(guò)程中，BF容易從基體中脫落，導(dǎo)致磨損率的增加，此時(shí)磨損以剝離磨損為主。

4　結(jié)　論

(1)得到了在BF表面鍍銅的最佳工藝參數(shù)，BF表面的Cu層均勻分布；

(2)試樣中Al2Cu的含量隨著鍍銅BF含量的增加逐漸增加；

(3)隨著B(niǎo)F含量的增加，試樣密度逐漸降低，硬度先增加后降低，BF含量為5%時(shí)試樣硬度最大；

(4)耐磨性隨BF含量的增加先增加后降低，BF含量為5%時(shí)磨損率最低。BF含量較低時(shí)，磨損機(jī)制以磨粒磨損為主；BF含量較高時(shí)，磨損機(jī)制以剝離磨損為主。

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Effect of Modified Basalt Fiber on the Wear-Resistance ofAluminium-Based Composites

YANGJian-lin，WANGJun-jie，LIChuang，LONGLv-wei，LIYong-jing

(College of Materials Science and Engineering,Liaoning Technical University,Fuxin 123000,China)

In order to research the effect of basalt fiber (BF) content on the wear-resistance of aluminium based composites, BF was modified by electroless copper plating, and the wear-resistance of aluminium-based composites reinforced by BF, which were synthesized by powder metallurgy, was studied. The results show that a homogeneous copper film is plated on the surface of BF. The density of samples decreaces with BF content. The hardness increases and then decreases with content of BF, the maximum hardness for sample with 5% BF increases by 13.8% in contrast with sample without BF. The wear rate decreases and then increases with content of BF. The minimum wear rate for sample with 4% BF decrease to 71.3% that of sample without BF. When the BF level is low, the wear mechanism is mainly abrasive wear, however, when the BF level is high, the wear mechanism is mainly strip wear.

basalt fiber;composite;electroless copper plating;wear-resistance;powder metallurgy

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51404136)；遼寧工程技術(shù)大學(xué)博士科學(xué)啟動(dòng)基金(11-417)

楊建林(1980-)，男，博士，講師.主要從事復(fù)合材料方面的研究.

TD985

A

1001-1625(2016)05-1578-05