納米MoS2對(duì)芳綸纖維織物/酚醛樹脂復(fù)合材料摩擦學(xué)性能的影響

曹鳳香，王亞楠

(西安航空學(xué)院 材料工程學(xué)院，西安 710077)

0 引言

和傳統(tǒng)的金屬和陶瓷材料相比較而言，高分子材料的分子結(jié)構(gòu)比較特殊，這使得高分子材料不僅具有密度小、彈性高、韌性好、絕緣、耐熱性較好、耐腐蝕性較好等特點(diǎn)，而且還具有減摩抗磨性能良好、摩擦系數(shù)低等優(yōu)點(diǎn)。因此，高分子材料也廣泛用于制造摩擦零件[1-3]。盡管如此，因聚合物材料的承載能力差，易于磨損，單獨(dú)使用時(shí)摩擦學(xué)性能較差，不能滿足對(duì)于一些重載的摩擦元件，比如船舵、起重機(jī)、閥門及導(dǎo)向裝置中的重載平面軸承的使用要求。

纖維織物具有整體性和力學(xué)結(jié)構(gòu)合理兩大特點(diǎn)，其增強(qiáng)的聚合物基復(fù)合材料被賦予高強(qiáng)度和剛度以及良好的整體性能，因此被成功地用作承受較寬范圍的接觸壓力的重載摩擦副材料[4-9]。然而，單一纖維織物復(fù)合材料的耐磨性低，所以需要在復(fù)合材料中添加潤(rùn)滑相。所加固體潤(rùn)滑劑是通過低的層間剪切力和促進(jìn)形成轉(zhuǎn)移膜而起到減摩的效果。許多研究發(fā)現(xiàn)，固體潤(rùn)滑劑如PTFE、MoS2、特殊的氟聚合物蠟類如聚四氟蠟(Polyfluo150 wax)能夠有效提高聚合物基復(fù)合材料的耐磨和減摩性能[10-12]。前述固體潤(rùn)滑劑中MoS2的層內(nèi)是以化學(xué)鍵結(jié)合，層間是以范德華力結(jié)合，層與層之間易于剝離，因此，作為潤(rùn)滑材料，MoS2在摩擦材料表面具有良好的附著性，覆蓋程度、抗磨或摩擦性能優(yōu)越，在摩擦學(xué)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景[13]。目前，MoS2對(duì)于纖維織物復(fù)合材料摩擦學(xué)性能的研究還很少，本文以MoS2為固體潤(rùn)滑劑來探索改善纖維織物復(fù)合材料的耐磨性。

1 試樣制備與測(cè)試表征

實(shí)驗(yàn)中所用的材料納米MoS2由廣州納諾新材料科技有限公司提供。芳綸纖維織物由宜興市思維奇碳纖維制品有限公司生產(chǎn)，單位面積質(zhì)量為100 g·m-2，如圖1所示。酚醛樹脂由上海新光化學(xué)有限公司生產(chǎn)。

圖1 芳綸纖維織物的光學(xué)照片

首先將芳綸纖維織物用丙酮進(jìn)行清洗，在80 ℃條件下烘干備用。接下來將芳綸纖維織物浸入到含有不同含量二硫化鉬的酚醛-縮醛樹脂膠黏劑稀溶液中，超聲處理30 min，然后將織物取出在60 ℃的烘箱中進(jìn)行烘干，反復(fù)浸漬、烘干，直到纖維織物在復(fù)合材料中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為65%～70%。最后將烘干的纖維織物復(fù)合材料(厚度約為0.5 mm)用酚醛-縮醛樹脂膠黏劑粘結(jié)在45鋼塊上，在180 ℃和0.1～0.3 MPa壓力下固化2 h制得實(shí)驗(yàn)樣品。

采用MMUD-10B型摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)對(duì)制備的纖維織物復(fù)合材料摩擦磨損性能進(jìn)行測(cè)試。試驗(yàn)機(jī)所用摩擦對(duì)偶為直徑為4 mm的鋼銷，材料為45鋼。銷盤摩擦磨損試驗(yàn)示意圖如圖2所示，試驗(yàn)條件示于表1。

圖2 銷盤摩擦磨損試驗(yàn)示意圖

表1 銷盤摩擦實(shí)驗(yàn)條件

摩擦系數(shù)可由摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)直接得到。磨損率由下式計(jì)算：

(1)

式中：V是磨損體積；P是載荷；L是摩擦行程。圖3所示為磨痕表面示意圖，磨損體積V等于圖3中所示的磨痕面積乘以磨痕平均深度。

圖3 試樣表面磨痕示意圖

復(fù)合材料的磨損表面形貌采用JSM-6510A掃描電鏡進(jìn)行觀察。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 MoS2含量對(duì)纖維織物復(fù)合材料摩擦磨損性能的影響

圖4是添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)不同納米MoS2時(shí)纖維織物復(fù)合材料的摩擦系數(shù)隨MoS2質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化關(guān)系。由圖4可見，在實(shí)驗(yàn)含量范圍內(nèi)，添加納米MoS2后復(fù)合材料的摩擦系數(shù)都比沒有添加的小，說明添加納米MoS2可提高芳綸纖維織物復(fù)合材料的耐磨性。此外，隨著MoS2質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，制備試樣的摩擦系數(shù)先減小后增大。在納米MoS2加入量為0.5 wt%時(shí)，纖維織物復(fù)合材料的摩擦系數(shù)值比較低。

圖4 摩擦系數(shù)隨納米MoS2加入量的變化關(guān)系

圖5是添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)不同納米MoS2時(shí)纖維織物復(fù)合材料的磨損率隨MoS2質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化關(guān)系。由圖5可見，在實(shí)驗(yàn)含量范圍內(nèi)，添加納米MoS2后復(fù)合材料的磨損率隨MoS2質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化關(guān)系與摩擦系數(shù)的幾乎相同。

圖5 摩擦率隨納米MoS2加入量的變化關(guān)系

當(dāng)納米MoS2加入量為0.5 wt%時(shí)，芳綸纖維織物復(fù)合材料的摩擦系數(shù)比較小，磨損率比較低的主要原因應(yīng)與MoS2加入量有關(guān)。因?yàn)榧{米粒子具有比較高的表面能，為降低表面能納米顆粒容易發(fā)生團(tuán)聚現(xiàn)象。當(dāng)納米MoS2加入量為0.5 wt%時(shí)，和其他加入納米MoS2的芳綸纖維織物復(fù)合材料相比納米MoS2含量低，在復(fù)合材料中的分布較其他加入量的均勻，團(tuán)聚現(xiàn)象輕。當(dāng)納米MoS2含量高時(shí)，團(tuán)聚的納米MoS2不僅阻礙了纖維和樹脂基體之間的黏著作用，造成了MoS2團(tuán)聚物和樹脂基體之間的脫離，還加劇了磨粒磨損作用，從而使得試樣摩擦系數(shù)增大，磨損率增加。綜合圖4和圖5可知，添加少量具有潤(rùn)滑性能的納米MoS2對(duì)芳綸纖維織物復(fù)合材料的摩擦磨損性能有改善作用。

圖6所示為不含納米MoS2的芳綸纖維編織物復(fù)合材料的表面磨損形貌。由圖6(a)可見，磨損表面樹脂基本被全部剝離，大量的纖維被割斷或拔出。圖6(b)為圖6(a)中矩形區(qū)域的SEM圖。由圖6(b)清晰可見斷裂的纖維。由圖6可知，未添加納米MoS2的纖維織物復(fù)合材料承載能力較小，摩擦實(shí)驗(yàn)過程中酚醛樹脂很容易被剝離。此外，研究表明，酚醛樹脂導(dǎo)熱性差，容易在應(yīng)力集中區(qū)聚集摩擦熱，造成材料氧化、降解[14]。因此，未添加納米MoS2纖維織物復(fù)合材料磨損率較大。

圖6 (a)纖維織物復(fù)合材料磨損表面形貌 (b)圖(a)中矩形區(qū)域SEM圖

圖7所示為添加0.5 wt%納米MoS2時(shí)纖維織物復(fù)合材料表面磨損形貌。由圖7(a)可見，添加0.5 wt%納米MoS2的復(fù)合材料表面磨損較圖6(a)的明顯減輕，磨損的表面有較多的樹脂覆蓋，纖維拉斷和拔出現(xiàn)象顯著減少。圖7(b)所示為圖7(a)中矩形區(qū)域的SEM圖。由圖7(b)可見，試樣磨損表面覆蓋的樹脂變形比較嚴(yán)重，呈扁平的“鱗片”狀。

圖7 (a)含0.5 wt%MoS2纖維織物復(fù)合材料磨損表面形貌 (b)圖(a)中矩形區(qū)域SEM圖

圖8所示為添加1.5 wt%納米MoS2時(shí)纖維織物復(fù)合材料表面磨損形貌。由圖8(a)可見，隨著納米MoS2添加量的增加，復(fù)合材料表面磨損開始加重，但明顯沒有未加納米MoS2的復(fù)合材料磨損嚴(yán)重。圖8(b)所示為圖8(a)中矩形區(qū)域的SEM圖。由圖8(b)可見，試樣磨損表面覆蓋的樹脂變形嚴(yán)重，表面出現(xiàn)較多的“犁溝”。此外，由圖8(b)還可見，變形嚴(yán)重的樹脂已經(jīng)出現(xiàn)了分層現(xiàn)象。

圖8 (a)含1.5 wt%MoS2纖維織物復(fù)合材料磨損表面形貌 (b)圖(a)中矩形區(qū)域SEM圖

進(jìn)一步增加納米MoS2的添加量之后，纖維織物復(fù)合材料的磨損繼續(xù)加重，但是和未添加納米MoS2的相比磨損依然較輕，如圖9(a)所示。圖9(b)所示為圖9(a)中矩形區(qū)域的SEM圖。由圖9(b)可見，磨損表面覆蓋的樹脂變形嚴(yán)重，呈細(xì)小的“鱗片”狀，且分層現(xiàn)象明顯。

圖9 (a)含2.5 wt%MoS2纖維織物復(fù)合材料磨損表面形貌 (b)圖(a)中矩形區(qū)域SEM圖

2.2 載荷對(duì)纖維織物復(fù)合材料摩擦學(xué)性能的影響

前述分析表明，添加0.5 wt%納米MoS2的纖維織物復(fù)合材料具有較好的抗磨性能，在此以添加0.5 wt%納米MoS2纖維織物復(fù)合材料為分析對(duì)象，考察載荷條件對(duì)其摩擦磨損性能的影響。圖10所示為加載不同載荷對(duì)添加0.5 wt% 納米MoS2的纖維織物復(fù)合材料摩擦系數(shù)及磨損率的影響。由圖10可見，隨著載荷的增加，復(fù)合材料的摩擦系數(shù)增大，磨損率增加。

圖10 載荷對(duì)添加0.5 wt%納米MoS2纖維織物復(fù)合材料摩擦系數(shù)及磨損率的影響

添加0.5 wt%納米MoS2的纖維織物復(fù)合材料摩擦系數(shù)和磨損率隨載荷變化的原因可能在于：在干摩擦條件下，載荷的增加使得摩擦過程中產(chǎn)生的摩擦熱會(huì)增加，摩擦界面摩擦熱聚集致使界面溫度升高，使得纖維織物復(fù)合材料表面酚醛樹脂部分軟化分解所致。

圖11所示為添加0.5 wt%納米MoS2的纖維織物復(fù)合材料在不同載荷下磨損表面的形貌。由圖11可見，隨著載荷的增加，復(fù)合材料表面的磨損越來越嚴(yán)重，纖維的斷裂和磨損越多，這也與復(fù)合材料的磨損率隨著載荷的增加而增加相吻合。

圖11 不同載荷下含0.5 wt% MoS2纖維織物復(fù)合材料磨損表面的形貌圖

3 結(jié)論

以芳綸纖維織物/酚醛樹脂材料為基體，添加不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的納米MoS2，以分析納米MoS2對(duì)基體材料摩擦磨損性能的影響。通過摩擦磨損性能分析及表面磨痕形貌的分析所得結(jié)論如下：

(1)固定載荷條件下，在實(shí)驗(yàn)的添加范圍內(nèi)，復(fù)合材料的摩擦系數(shù)隨著MoS2添加量的增加先減小后增大，磨損率隨著MoS2添加量的增加先降低后增加。結(jié)合磨痕形貌分析，MoS2添加量為0.5 wt%時(shí)，復(fù)合材料具有良好的耐磨性；

(2)在固定MoS2添加量為0.5 wt%的條件下改變載荷，復(fù)合材料的摩擦系數(shù)隨著載荷的增加而增大，磨損率隨著載荷的增加而增加。磨痕形貌分析表明，隨著載荷的增加材料表面的磨損越來越重。