納米SiC增強碳纖維層合板摩擦磨損性能

侯思宇 楊 濤 原文慧 杜 宇

（1 天津市現代機電裝備技術重點實驗室，天津 300387）

（2 天津工業大學機械工程學院，天津 300387）

文 摘 為了探尋一種簡便的制備納米SiC 增強碳纖維層合板的方法，本文將納米SiC 顆粒均勻分散在無水乙醇中，制備成不同質量分數的SiC 試劑，然后均勻噴涂在碳纖維預浸料表面，固化成型。對不同試件進行摩擦磨損實驗，得到不同含量的納米SiC 顆粒對碳纖維層合板摩擦因數、磨損量的影響規律，并且對磨損形貌和復合材料的硬度進行分析。實驗結果表明：在碳纖維預浸料表面噴涂納米SiC 顆粒能夠有效改善碳纖維層合板的摩擦磨損性能；當納米SiC 濃度為1%時，層合板的摩擦因數、磨損量、磨痕的寬度及深度較于不含納米SiC的層合板分別降低52%，63%，32.3%，54.8%，摩擦磨損性能最好。

0 引言

碳纖維復合材料具有比強度高、結構質量輕等特性，被廣泛運用到各類摩擦材料中［1-3］。但是，由于碳纖維與樹脂基體復合時，界面的浸潤性和粘結性差，使得碳纖維的某些性能難以充分發揮，因此，研究者將碳纖維的表面處理技術視為提高碳纖維樹脂基復合材料摩擦磨損性能的關鍵技術之一［4］。馬小龍［5］等使用偶聯劑對PAN 基碳纖維進行表面改性以改善碳纖維與酚醛樹脂基體之間的界面結合，從而降低復合材料的磨損率。李張義［6］等采用氣相、液相氧化法等方法對碳纖維進行表面處理，探究不同表面處理方法對碳纖維增強硼改性樹脂基復合材料的摩擦磨損性能。

同時，由于樹脂固化后具有脆性大、對微裂紋較為敏感并且抗疲勞性能較差等特性，限制了碳纖維增強樹脂基復合材料作為摩擦器件的應用，因此研究者利用無機材料改性樹脂以增強其摩擦學性能［7-10］。M.R.AYATOLLAHI 等人［11］用碳納米管及納米氧化硅顆粒改性樹脂，實驗表明添加0.9 wt%的納米氧化硅比不改性的復合材料磨損率降低82%。李得科等［12］通過不同配比的SiC/環氧改性酚醛樹脂為預制原料，分析了SiC 含量對層合板摩擦磨損性能的影響。姚煥英等［13］發現使用8 wt%的SiC對樹脂進行改性后，氰酸酯樹脂/碳化硅復合材料的耐磨性相對于純氰酸酯樹脂復合材料提高77.5%。

然而，對纖維進行表面處理及無機顆粒改性樹脂均需要繁瑣的步驟和大量的時間，因此廣大學者對制備工藝進行改進。Y.N SU 等［14］將碳納米管噴涂到CF/PEEK 預浸料表面不僅極大改善層合板機械性能、導電性及熱性能，也節省了大量處理材料的時間。A.Jain等［15］使用刷子將多壁碳納米管改性的樹脂均勻的刷到玻璃纖維布上，不僅有效降低玻璃纖維復合材料的磨損率，也為制備復合材料提供新思路。

SiC 具有高硬度、高強度、耐熱耐腐蝕等特點，并且目前沒有使用納米SiC 顆粒處理碳纖維預浸料，以提高復合材料層合板摩擦磨損性能的研究。因此，本文通過實驗改變納米SiC 的濃度，研究納米SiC 顆粒噴涂在碳纖維預浸料表面對碳纖維層合板摩擦磨損性能的影響。

1 實驗

1.1 原材料

納米SiC 型號為DK-SiC-001，由北京德科島金科技有限公司生產，平均粒徑40 nm，比表面積為39.8 m2/g，密度0.11 g/cm3。單向碳纖維預浸料（型號USN 15000，威海光威復合材料股份有限公司）。無水乙醇（天津市風船化學試劑科技有限公司生產），99.7 wt%。

1.2 試件制備

試件制備流程如下：

（1）將碳纖維預浸料裁成70 mm×50 mm 尺寸，然后分別放入電子天平中測量每塊預浸料的質量，測量三次取平均值；

（2）使用超聲波細胞粉碎機在400 w 功率下，將不同質量的SiC 顆粒分別分散在無水乙醇中，分散時間為60 min；

（3）將分散好的納米SiC 乙醇溶液均勻噴涂到相應的碳纖維預浸料表面，待乙醇自然揮發完后，制備成納米SiC-碳纖維預浸料；

（4）將不同質量分數的納米SiC-碳纖維預浸料按照純0°的方向進行鋪放，鋪層數量為50 層。使用模壓固化成型的方式進行固化。固化條件為80℃固化60 min，升溫至120℃固化90 min，然后使其自然冷卻；

（5）將固化成型后的碳纖維層合板切割為30 mm×9 mm×7 mm 的摩擦磨損試件，并對試件類型進行編號，類型A（0.1）、B（0.5）、C（1）、D（3）、E（5）、F（0）分別對應納米SiC 質量分數為0.1%、0.5%、1%、3%、5%、0%的試件。

1.3 表征測試

使用M-2000 型微機智能測控系統（張家口市誠信試驗設備制造有限公司）進行摩擦磨損實驗，載荷200 N，轉速400 r/min，測試時間90 min。環-塊式摩擦副結構簡圖如圖1 所示。采用HV-1000 顯微硬度計（上海聯爾試驗設備有限公司制造）測硬度，加載1 kg 的載荷。本實驗使用白光干涉三維表面輪廓儀獲取磨痕的三維形貌，并且測量磨痕的寬度和深度。使用Leica DVM6 數碼視頻顯微鏡對層合板的磨痕進行觀察（Leica DVM6 數碼視頻顯微鏡的最大放大倍數為2 350）。使用ZEISS Sigma 300 場發射掃描電子顯微鏡觀察噴涂納米SiC 顆粒的碳纖維預浸料表面SiC分布情況。

圖1 環-塊摩擦模型的摩擦副結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of friction pair of ring-block friction model

2 結果與討論

2.1 顯微硬度

試件硬度及增長率見表1。從表1 可以看出，添加納米SiC 顆粒能夠有效增強碳纖維復合材料的硬度，并且在0.1%～5%的，納米顆粒含量越多，硬度越大。當碳纖維層合板中加入5%濃度的納米SiC顆粒時，其硬度相比于不含納米SiC 的試件增加26.9%。這是由于納米SiC 是一種高硬度材料，噴涂到預浸料表面后會與樹脂、碳纖維結合，固化成型后，能夠有效提高碳纖維樹脂基層合板的硬度。

表1 試件硬度及增長率Tab.1 Hardness and growth rate of specimens

2.2 摩擦磨損性能分析

2.2.1 摩擦因數

圖2 是典型試件摩擦因數-時間曲線。可以看出，6種不同含量材料的摩擦因數整體走勢基本保持一致。摩擦因數降到最小值后，無納米SiC 的試件相比噴涂納米SiC 的試件摩擦因數迅速升高。納米SiC粒子濃度為1%的試件摩擦因數曲線最優。

圖2 典型試件摩擦因數-時間曲線Fig.2 Coefficient of friction-time curve of typical specimens

2.2.2 磨損量

磨損量公式計算如下：

式中，m0、m1分別表示試件磨損前、后的質量。

對不同類型試件的磨損量進行計算得出當納米SiC 含量為0%時，試件的平均磨損量是3.07 mg；當納米SiC 的質量分數分別為0.1%、0.5%、1%、3%和5%時，試件的平均磨損量分別為2.40、2.13、1.13、1.50 和2.10 mg。對比有無納米SiC 試件的平均磨損量數值可以發現，使用不同質量分數的納米SiC 噴涂預浸料后，碳纖維層合板的磨損量均比無納米SiC試件的磨損量小；對比不同質量分數的納米SiC 試件的平均磨損量數值可以看出，隨著納米SiC 質量分數的增加試件的平均磨損量呈現先減小、后增加的趨勢。

試件的平均磨損量及增長率見表2。可以看出，當納米SiC 的質量分數為0.1%、0.5%時，試件的磨損量降低率為21.8%、30.6%；當納米SiC 的質量分數增加到1.0%時，試件的磨損量降低率最大，為63.2%；但隨著納米SiC 質量分數的進一步增大，試件的磨損量增長率也增大，當納米SiC 的質量分數為3%、5%時，試件的磨損量降低率為51.1%、31.6%。

表2 試件的磨損量及增長率Tab.2 Wear and growth rate of specimens

2.2.3 磨痕分析

圖3 是試件磨痕的寬度與深度。試件磨痕的數值見表3。圖4是試件磨痕的三維形貌圖。

圖3 試件磨痕的寬度與深度Fig.3 Width and depth of wear scar specimens

圖4 磨痕的三維形貌Fig.4 Three-dimensional topography of wear scars

表3 試件磨痕Tab.3 Wear scar specimens

對比有無納米SiC 試件的磨痕寬度和深度可以發現，含有不同納米SiC 質量分數試件的磨痕寬度和深度均比無納米SiC 試件的磨痕寬度和深度小；對比不同質量分數的納米SiC 試件磨痕的寬度和深度可以發現隨著納米SiC 質量分數的增加，磨痕的寬度和深度均呈現先減小后增加的趨勢，且當納米SiC 的質量分數為1%時，磨痕的寬度和深度均最小分別為3.34 和68.2 μm，比無納米SiC 試件的磨痕寬度和深度分別降低1.6和82.8 μm。

2.3 微觀形貌分析

2.3.1 SEM分析

圖5 為預浸料表面納米SiC 分散情況。可見，1wt%納米SiC 顆粒比較均勻的散布在碳纖維預浸料表面，而5wt%納米SiC 顆粒在預浸料上的散布情況，有部分納米SiC 顆粒聚在一起出現了納米團聚物。同時，用乙醇溶液分散后噴涂到預浸料表面時會形成水滴狀的納米SiC 乙醇溶液附著在預浸料表面，由于一些小水滴之間的引力聚集到一起，導致部分區域的SiC 濃度增大，當乙醇揮發后導致納米SiC 顆粒留在預浸料表面，而后出現納米顆粒團聚現象。

圖5 預浸料表面納米SiC分散情況Fig.5 Dispersion of nano-SiC on the surface of prepreg.

圖6 為層合板表面SEM 分析圖。如圖6（a）所示，當預浸料沒有噴涂納米SiC 時，層合板中有明顯的缺陷存在；如圖6（b）所示，當預浸料表面噴涂納米SiC 后，固化后的層合板表面平整度好，凹坑被納米SiC 顆粒填平。這是由于加入的納米SiC 會進入到環氧樹脂的缺陷處，填補復合材料的結構缺陷，進而提高復合材料的摩擦學性能。

圖6 層合板表面SEM分析圖Fig.6 SEM of laminate surface

2.3.2 磨痕形貌分析

為了研究納米SiC 含量對碳纖維增強樹脂基復合材料摩擦磨損性能的影響，對6組試件的磨損表面形貌進行觀察。圖7是典型試件的磨損表面形貌。

圖7 典型試件的磨損表面形貌Fig.7 Wear scar microstructure of typical specimens.

磨損的嚴重程度為F（0）＞A（0.1）＞B（0.5）＞E（5）＞D（3）＞C（1）。如圖7（f）所示，無納米SiC 的試件磨損表面粗糙，呈“魚鱗狀剝落”，以磨粒磨損為主。這是由于在磨損過程中與對磨環實際接觸的只是試樣表面的大量微凸點，材料相對較軟且表面存在結構缺陷，因此在載荷的作用下發生變形、接觸、黏合從而產生微裂紋。隨著摩擦磨損時間的增長，微裂紋進一步擴展，并導致部分表面脫落從而形成磨屑。與試件F（0）相比，噴涂納米SiC的試件磨損表面相對平滑。原因是：（1）納米SiC 提高了復合材料基體的承載能力，并且抑制了裂紋的產生與擴展，從而具有更好的耐磨性；（2）在摩擦磨損實驗中試件和對磨環的接觸面間會形成含有納米SiC 的轉移膜，由于納米SiC 具有固體潤滑作用，使得該轉移膜具有較好的潤滑性，從而減少磨損。納米SiC含量為1%時，試件的磨損表面最光滑，以黏著磨損為主。原因是：（1）適量的納米SiC 可以有效填充材料表面的結構缺陷，提高材料的表面質量，從而提升磨損性能：（2）適量的納米SiC 在基體中均勻的分散，較快彌補復合材料的磨痕，使材料磨損表面看起來光滑。隨著納米SiC 含量繼續增加，由于納米SiC 過多，容易團聚，從而形成應力集中點，受到載荷作用的納米SiC 顆粒從基體脫落形成散料，形成磨料磨損；同時過多的納米SiC 無法均勻分散，對材料結構造成影響，進而影響碳纖維樹脂基復合材料的摩擦磨損性能。

3 結論

（1）摩擦實驗表明納米SiC 顆粒能夠有效改善碳纖維層合板的硬度及摩擦學性能。在碳纖維預浸料表面噴涂適量的納米SiC 乙醇溶液，使得成型后的含納米SiC的碳纖維層合板可獲得比未添加納米SiC顆粒的層合板更優異的摩擦學性能。

（2）碳纖維層合板的硬度隨納米SiC的含量增加而增大。當噴涂5%含量的納米SiC時碳纖維層合板的硬度最大，相較于不含納米SiC的試件硬度提高26.9%。

（3）不同含量的納米SiC 改善層合板的摩擦磨損性能的效果不同，且隨納米SiC 的含量的增多先增加后減小。在碳纖維預浸料表面噴涂1%含量納米SiC乙醇溶液時可獲得最佳的摩擦學性能，磨損量較不含納米SiC 的試件可降低63%，磨痕的寬度和深度最小，分別為3.34 mm、68.2 μm。