SiC陶瓷表面增韌用環(huán)氧樹(shù)脂基增韌劑的制備與性能研究

李林虎，唐修檢，王 龍,何東昱，劉 謙，譚 俊

(1.中國(guó)人民解放軍陸軍裝甲兵學(xué)院裝備再制造技術(shù)國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100072； 2.中國(guó)人民解放軍火箭軍工程大學(xué)作戰(zhàn)保障學(xué)院，西安 710000)

0 引 言

碳化硅陶瓷等硬脆材料由于其優(yōu)異性能日益受到工程技術(shù)人員的青睞，但其高硬度、高脆性也使其在磨削加工中極易產(chǎn)生崩碎損傷，成為束縛其在航空、航天、汽車(chē)、軍工等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的瓶頸。當(dāng)前，抑制碳化硅陶瓷在磨削加工中產(chǎn)生崩碎損傷的方法主要有磨削參數(shù)控制法[1-4]、輔助加熱控制法[5-7]、輔助支撐控制法[8,9]，這些方法可有效減輕碳化硅陶瓷等硬脆材料在磨削過(guò)程中的崩碎損傷程度，提高加工品質(zhì)，但這些方法均是從材料去除機(jī)理的角度通過(guò)控制工藝參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，對(duì)磨削過(guò)程中材料表層的斷裂強(qiáng)度關(guān)注較少。事實(shí)上，硬脆材料的失效往往始于材料表面或近表面處的缺陷，其表層斷裂強(qiáng)度是影響崩碎損傷產(chǎn)生的關(guān)鍵因素。在磨削加工中，通過(guò)在硬脆材料表層實(shí)時(shí)涂覆增韌劑，將增韌劑填充到硬脆材料表層的微裂紋與微孔隙中，使其作為一種能量吸收組元在外加載荷的作用下通過(guò)塑性變形吸收能量，降低裂紋尖端的應(yīng)力強(qiáng)度因子，增強(qiáng)材料自身抵抗裂紋擴(kuò)展的能力，是從源頭上減輕甚至消除崩碎損傷的方法。因此，制備一種潤(rùn)濕性能好、固化速率快的增韌劑對(duì)降低碳化硅陶瓷等硬脆材料在磨削加工中的崩碎損傷具有重要意義。

已有的研究表明，填充陶瓷表層裂紋與孔隙，可顯著提升陶瓷的表層韌性，降低其崩碎損傷程度。如西北工業(yè)大學(xué)張立同院士[10]在碳化硅陶瓷基復(fù)合表面引入自愈合組元，發(fā)現(xiàn)自愈合組元可與環(huán)境介質(zhì)發(fā)生反應(yīng)生成一種玻璃相填封劑，滲入陶瓷表層裂紋與孔隙后可以提高陶瓷材料的表層韌性。田欣利等[11]通過(guò)在玻璃陶瓷邊緣包覆環(huán)氧樹(shù)脂的方式有效減輕了其崩碎損傷程度。研究人員發(fā)現(xiàn)填充材料表層裂紋與孔隙對(duì)降低硬脆材料的崩碎損傷有一定作用，但未對(duì)填封孔隙的試劑與其作用機(jī)理做進(jìn)一步的研究。當(dāng)前，使用試劑填封材料表層裂紋與孔隙的研究常見(jiàn)于微弧氧化陶瓷涂層、鋁合金氧化層等封孔處理工藝中。長(zhǎng)安大學(xué)的樊軒虎[12]將環(huán)氧樹(shù)脂、丙酮與固化劑按照一定比例混合，采用刷涂的方式對(duì)鋁合金微弧氧化層進(jìn)行封孔處理，取得了良好的封孔效果。東南大學(xué)韓林元等[13]使用聚酸乳對(duì)微弧氧化鎂合金絲材進(jìn)行封孔處理，提高了絲材的抗腐蝕性能。封孔劑具有優(yōu)良的滲透性，但其在常溫下的固化時(shí)間通常長(zhǎng)達(dá)24～48 h，研究人員通過(guò)添加促進(jìn)劑或輔助加熱的方式提高了封孔劑的固化速率。王學(xué)生等[14]采用凝膠-溶膠法制備了硅鋁復(fù)合硅氧烷封孔劑，將封孔劑在60 ℃的環(huán)境中保溫30 min，緩慢升溫至120 ℃后再保溫30 min即可完成固化，極大縮短了固化時(shí)間。四川大學(xué)馬金鑫等[15]在E51環(huán)氧樹(shù)脂與T35多元硫醇的固化體系中加入3%(摩爾分?jǐn)?shù))的1,8-二氮雜二環(huán)十一碳-7-烯(DBU)促進(jìn)劑，發(fā)現(xiàn)DBU可以極大加快固化速率。因此，所配制的陶瓷表面增韌劑應(yīng)由有機(jī)樹(shù)脂、溶劑、固化劑與促進(jìn)劑四部分組成，通過(guò)優(yōu)化各組分的添加量，使得增韌劑在滿足潤(rùn)濕性能的基礎(chǔ)上，有較快的固化速率。

增韌劑滲入材料表層微裂紋與微孔隙的程度不僅取決于試劑的種類(lèi)與配比，而且與材料表面特性(材料種類(lèi)、表面粗糙度)有關(guān)。本文選取了制備增韌劑的主要材料，通過(guò)改變各組分的添加量，研究了增韌劑的組分比例與碳化硅陶瓷表面粗糙度對(duì)潤(rùn)濕效果的影響，制備出一種用于碳化硅陶瓷磨削加工中的表層增韌劑，以期降低碳化硅陶瓷在加工中的崩碎損傷。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 增韌劑材料的選取

有機(jī)樹(shù)脂為E51雙酚A型環(huán)氧樹(shù)脂，環(huán)氧值為0.51 eq/100 g，北京香山聯(lián)合助劑廠；固化劑為651型低相對(duì)分子質(zhì)量聚酰胺樹(shù)脂，胺值為380 mg/KOH/g，單個(gè)聚酰胺樹(shù)脂分子中(—CH2CH2—)的重復(fù)數(shù)為2，北京香山聯(lián)合助劑廠；溶劑為無(wú)水乙醇，阿拉丁試劑(上海)有限公司；促進(jìn)劑為1,8-二氮雜二環(huán)十一碳-7-烯,阿拉丁試劑(上海)有限公司。

1.2 陶瓷材料

選用表面粗糙度(Ra)分別為0.1 μm、0.2 μm、0.8 μm的熱壓燒結(jié)型碳化硅陶瓷，試樣的大小為60 mm×15 mm×10 mm，密度為3.179 g/cm3，抗彎強(qiáng)度為527 MPa，硬度為1 954 N/mm-2。

1.3 主要儀器及設(shè)備

接觸角測(cè)量?jī)x：PT-705B，東莞市普塞特檢測(cè)設(shè)備有限公司。顯微維氏硬度儀：THV-1DP，北京時(shí)代四合科技有限公司。高分辨率場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡：Nova NanoSEM50，美國(guó)FEI公司。恒溫干燥箱：DZF-6050，上海儀天科學(xué)儀器有限公司。

1.4 增韌劑的制備

公式(1)為低相對(duì)分子質(zhì)量聚酰胺樹(shù)脂作為環(huán)氧樹(shù)脂固化劑時(shí)的用量計(jì)算公式，通過(guò)環(huán)氧樹(shù)脂環(huán)氧當(dāng)量與聚酰胺樹(shù)脂的胺當(dāng)量計(jì)算出聚酰胺樹(shù)脂的理論用量為環(huán)氧樹(shù)脂質(zhì)量的50%，因此在增韌劑的制備過(guò)程中，環(huán)氧樹(shù)脂與聚酰胺樹(shù)脂的質(zhì)量比始終為2 ∶1，增韌劑的配制中僅改變?nèi)軇┡c促進(jìn)劑的添加量[15]。

(1)

采用全因素試驗(yàn)法，依照表1所示增韌劑各組分之間的質(zhì)量配比，將E51雙酚A型環(huán)氧樹(shù)脂、無(wú)水乙醇、651型低相對(duì)分子質(zhì)量聚酰胺樹(shù)脂和DBU依次添加至燒杯中，使用玻璃棒進(jìn)行攪拌。為防止劇烈的化學(xué)反應(yīng)，每一種組分混合均勻后再添加下一種，最后一種組分添加完成后，攪拌20 min后靜置5 min，可得到穩(wěn)定分散的增韌劑。

表1 增韌劑的配制質(zhì)量比例Table 1 Preparation mass ratio of toughening agent

1.5 試驗(yàn)方法

(1)靜態(tài)接觸角測(cè)量方法：按照GB/T 30447—2013方法測(cè)試。

(2)增韌劑浸潤(rùn)深度測(cè)試方法：在碳化硅陶瓷表面涂覆配制好的增韌劑，增韌劑浸潤(rùn)陶瓷表層5 min后，將陶瓷剖面噴金并使用掃描電子顯微鏡觀測(cè)陶瓷剖面增韌劑的浸潤(rùn)深度。

(3)陶瓷表面微觀形貌觀測(cè)方法：在SiC陶瓷表面涂覆配制好的增韌劑，增韌劑浸潤(rùn)陶瓷5 min后，刮除陶瓷表層未浸滲的增韌劑，將陶瓷表層噴金并使用掃描電子顯微鏡觀測(cè)涂覆增韌劑后碳化硅陶瓷的表面微觀形貌。

(4)固化時(shí)間測(cè)試方法：將配制好的增韌劑置于直徑5 cm、高度2 mm的特制圓柱形器皿中，放置于真空干燥箱中在75 ℃的環(huán)境溫度下保溫，攪拌器皿中的增韌劑，在攪拌過(guò)程中當(dāng)發(fā)現(xiàn)增韌劑完全失去流動(dòng)性時(shí)，記錄歷經(jīng)時(shí)間為增韌劑的固化時(shí)間。

(5)硬度測(cè)試方法：按照GB/T 37900—2019方法測(cè)試。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同配比增韌劑的接觸角大小與變化規(guī)律

接觸角的大小反映了增韌劑在碳化硅陶瓷表面的潤(rùn)濕性能，增韌劑的接觸角越小其潤(rùn)濕性能越好[16]。圖1反映了不同配比的增韌劑在三種粗糙度碳化硅陶瓷表面接觸角的變化過(guò)程。圖2為配制比例為1 ∶1 ∶0.5 ∶0.03的增韌劑在三種粗糙度碳化硅陶瓷表面的靜態(tài)接觸角。由圖1可知，在三種不同粗糙度的碳化硅陶瓷表面，配制比例為1 ∶1 ∶0.5 ∶0.03的增韌劑的靜態(tài)接觸角最小，該增韌劑在粗糙度為0.1 μm、0.2 μm、0.8 μm的SiC陶瓷表面的靜態(tài)接觸角分別為15.549°、13.429°與9.216°，如圖2所示。

圖1 不同配比的增韌劑在三種粗糙度碳化硅陶瓷表面的接觸角變化過(guò)程Fig.1 Contact angle change process of toughening agent of different proportions on the surfaces of SiC ceramics with three kinds of roughness

由圖1可知，溶劑添加量的增加與碳化硅陶瓷表面粗糙度的升高均會(huì)引起接觸角的顯著降低，而促進(jìn)劑的添加量基本不會(huì)引起接觸角大小的改變。如圖1(a)、(d)、(g)所示，對(duì)于表面粗糙度為0.8 μm的碳化硅陶瓷試樣，當(dāng)增韌劑中溶劑的添加量為0.8、0.9與1時(shí)，靜態(tài)接觸角大小分別約為35°、19°與10°，溶劑添加量為0.8與0.9的增韌劑，靜態(tài)接觸角相差約16°，溶劑添加量為0.9與1的增韌劑，靜態(tài)接觸角相差約9°，差值降低。其他試驗(yàn)組也反映了相同的規(guī)律，這說(shuō)明隨著溶劑添加量的增加，增韌劑的潤(rùn)濕性顯著提高。這與固液氣三相界面張力有關(guān)，溶劑的含量越高，增韌劑中環(huán)氧樹(shù)脂與聚酰胺樹(shù)脂分子越分散，分子間相互作用力減小，引起固液兩相的界面張力γsl與液氣兩相的表面張力γlg降低，而固氣兩相的界面張力γsg不變。公式(2)所示的 Young方程闡述了接觸角大小與三相界面張力之間的關(guān)系[17]，因此可以得出結(jié)論，隨著增韌劑中溶劑添加量的增加，其接觸角大小顯著降低，增韌劑的潤(rùn)濕性顯著提高。

r(γsg-γsl)=γlgcosθ

(2)

式中：r為固體實(shí)際表面積與光滑表面積之比；γsg為固氣相間的界面張力；γsl為固液兩相間的界面張力；γlg為液氣兩相間的界面張力；θ為接觸角。

圖2 配制比例為1 ∶1 ∶0.5 ∶0.03的增韌劑在三種粗糙度碳化硅陶瓷表面的靜態(tài)接觸角Fig.2 Static contact angles of toughening agent with the configuration ratio of 1 ∶1 ∶0.5 ∶0.03 on the surface of three kinds of roughness SiC ceramics

如圖1(i)所示，當(dāng)溶劑添加量為1時(shí)，增韌劑在0.1 μm、0.2 μm、0.8 μm粗糙度的碳化硅陶瓷表層的接觸角大小分別為15.549°、13.429°與9.216°，接觸角隨表面粗糙度的增加而明顯減小。其他試驗(yàn)組也表現(xiàn)出相似的規(guī)律，這表明同一種增韌劑更容易潤(rùn)濕粗糙度較高的碳化硅陶瓷表面。這種現(xiàn)象與增韌劑液滴與碳化硅陶瓷表面接觸的實(shí)際表面積有關(guān)，也與不同表面粗糙度碳化硅陶瓷表面的裂紋數(shù)與孔隙率有關(guān)。固體表面越粗糙，增韌劑接觸固體的實(shí)際表面積越大，固體實(shí)際表面積與光滑表面積之比r就越小，根據(jù)公式(2)可知，當(dāng)θ小于90°，表面粗糙導(dǎo)致接觸角變小。碳化硅表面粗糙度越高，其表層裂紋數(shù)與孔隙率越高，孔隙孔徑也較大，使得增韌劑更容易浸潤(rùn)其中，因此接觸角減小。如圖1(a)～(c)所示，在表面粗糙度為0.8 μm的碳化硅陶瓷表面，當(dāng)增韌劑的溶劑添加量為0.8，促進(jìn)劑的添加量為0.01、0.02和0.03時(shí)，接觸角大小分別為35.671°、35.442°與35.231°，接觸角的大小隨促進(jìn)劑添加量的增加基本沒(méi)有變化，其他試驗(yàn)組也反映了相同的規(guī)律，這表明溶劑的添加量對(duì)增韌劑的潤(rùn)濕性能基本沒(méi)有影響，這主要由于DBU的添加量過(guò)少，因此在之后浸潤(rùn)深度的測(cè)量試驗(yàn)中，僅考慮溶劑添加量的變化對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。

圖3為配比為1 ∶1 ∶0.5 ∶0.03的增韌劑在粗糙度為0.8 μm碳化硅陶瓷表面的初始接觸角與靜態(tài)接觸角。由圖3可知，配比為1 ∶1 ∶0.5 ∶0.03的增韌劑在粗糙度為0.8 μm碳化硅陶瓷表面的初始接觸角10.097°，靜態(tài)接觸角為9.216°，初始接觸角至靜態(tài)接觸角的時(shí)間為160 s。液體接觸固體表面后，接觸角逐漸變小至靜態(tài)接觸角的過(guò)程，是液體浸潤(rùn)固體表層的過(guò)程，當(dāng)接觸角大小不再發(fā)生變化時(shí)，液體在固體表層

圖3 配比為1 ∶1 ∶0.5 ∶0.03的增韌劑在粗糙度為0.8 μm碳化硅陶瓷表面的初始接觸角與靜態(tài)接觸角Fig.3 Initial contact angle and static contact angle of toughening agent with the configuration ratio of 1 ∶1 ∶0.5 ∶0.03 on the surface of 0.8 μm SiC ceramic

浸潤(rùn)過(guò)程完成，接觸角逐漸減小至靜態(tài)接觸角所用的時(shí)間為浸滲所需的時(shí)間。由圖1可知：在0.1 μm粗糙度的碳化硅陶瓷表面，當(dāng)溶劑添加量為0.8、0.9與1時(shí)，增韌劑的浸潤(rùn)時(shí)間分別為140 s、160 s與160 s；在0.2 μm粗糙度的碳化硅陶瓷表面，當(dāng)溶劑添加量為0.8、0.9與1時(shí)，增韌劑的浸潤(rùn)時(shí)間分別為140 s、160 s與150 s；在0.8 μm粗糙度的碳化硅陶瓷表面，當(dāng)溶劑添加量為0.8、0.9與1時(shí)，增韌劑的浸潤(rùn)時(shí)間分別為130 s、150 s與150 s。

2.2 不同配比增韌劑的浸潤(rùn)深度與變化規(guī)律

增韌劑在陶瓷表層的浸潤(rùn)深度越深，其滲入陶瓷表層的量就越大，在外加載荷的作用下作為能量吸收組元產(chǎn)生塑性變形時(shí)吸收的能量就越多，更有利于降低陶瓷在磨削加工中的崩碎損傷。圖4為不同配比增韌劑在三種粗糙度SiC陶瓷上的表層浸潤(rùn)深度,溶劑添加量為0.8的增韌劑可分別滲入0.1 μm、0.2 μm、0.8 μm的SiC陶瓷表層20.69 μm、22.44 μm、26.23 μm，在增韌劑配制比例不變的情況下，隨著SiC陶瓷表面粗糙度的增加，增韌劑的浸潤(rùn)深度略有增加，但整體浸潤(rùn)深度區(qū)間并沒(méi)有太大變化。這主要與陶瓷表層孔隙的孔徑大小有關(guān)，陶瓷表面粗糙度越大，其表層孔隙的直徑會(huì)略大，使得增韌劑更易滲入其中，因此浸潤(rùn)得略深。溶劑的添加量是影響增韌劑浸潤(rùn)深度的主要因素，釋劑添加量為0.8時(shí)浸潤(rùn)深度約在20～30 μm之間，溶劑添加量為0.9時(shí)浸潤(rùn)深度約在35～45 μm之間，溶劑添加量為1時(shí)浸潤(rùn)深度約在50～60 μm之間，浸潤(rùn)深度隨溶劑添加量的增加呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)。增韌劑滲入陶瓷表層微裂紋與微孔隙的過(guò)程類(lèi)似于毛細(xì)現(xiàn)象，公式(3)表明了傳統(tǒng)毛細(xì)上升現(xiàn)象中液面上升高度與表面張力的關(guān)系[18-21]：即在液體可潤(rùn)濕管壁的前提下，毛細(xì)上升高度與表面張力成正比。

(3)

式中：h為毛細(xì)上升高度；γ為液體的表面張力；θ為接觸角角度；Δρ為氣液兩相的密度差；g為重力加速度；R為毛細(xì)管半徑。

很明顯，增韌劑的潤(rùn)濕深度規(guī)律與傳統(tǒng)的毛細(xì)上升現(xiàn)象規(guī)律不符，增韌劑的浸潤(rùn)深度表現(xiàn)出隨表面張力與黏度的降低而增大，這與增韌劑的稀釋度及其在碳化硅表層的浸潤(rùn)方式有關(guān)。分析認(rèn)為，增韌劑浸潤(rùn)陶瓷表層的過(guò)程應(yīng)表現(xiàn)為三個(gè)階段：第一個(gè)階段為初始滲入階段，彎曲液面兩側(cè)壓力差(即增韌劑液滴內(nèi)部壓力與毛細(xì)管中氣體內(nèi)部壓力差)為增韌劑滲入陶瓷孔隙的驅(qū)動(dòng)力，增韌劑表面張力為增韌劑滲入陶瓷孔隙的阻力，在這個(gè)階段中，增韌劑在驅(qū)動(dòng)力的作用下開(kāi)始滲入陶瓷表層裂紋與孔隙當(dāng)中去；第二個(gè)階段為持續(xù)滲入階段，彎曲液面兩側(cè)的壓力差與滲入陶瓷孔隙中的增韌劑所受重力為驅(qū)動(dòng)力，增韌劑對(duì)毛細(xì)管內(nèi)壁的黏附力為阻力，在這個(gè)階段，增韌劑持續(xù)向孔隙的更深處滲入；第三個(gè)階段為緩慢滲入階段，在這個(gè)階段中，氣體因受到壓縮其內(nèi)部壓力逐漸大于增韌劑液體的內(nèi)部壓力，滲入陶瓷孔隙中增韌劑所受的逐漸增大重力為驅(qū)動(dòng)力，液面兩側(cè)逐漸增大的反向壓力差與增韌劑對(duì)毛細(xì)管內(nèi)壁的黏附力為阻力，當(dāng)增韌劑所受的重力等于黏附力與液面兩側(cè)反向壓力差之和時(shí)，增韌劑不再滲入陶瓷表層，浸潤(rùn)過(guò)程完成。從增韌劑滲入陶瓷表層孔隙的動(dòng)力學(xué)模型看，增韌劑與毛細(xì)管內(nèi)壁的黏附力是增韌劑滲入陶瓷表層的主要阻力，因此隨著溶劑添加量的增加，增韌劑的黏度降低，滲入陶瓷表層的增韌劑對(duì)陶瓷孔隙內(nèi)壁的黏附力降低，因此增韌劑浸潤(rùn)得越深。

圖4 不同配比的增韌劑在三種粗糙度SiC陶瓷上的表層浸潤(rùn)深度Fig.4 Surface infiltration depth of toughening agents with different ratios on three kinds of roughness SiC ceramics

由圖1所示的浸潤(rùn)時(shí)間與圖4所示的浸潤(rùn)深度可計(jì)算出不同配比的增韌劑在三種粗糙度陶瓷表層的平均浸潤(rùn)速率，見(jiàn)表2。由表2可知，增韌劑的浸潤(rùn)速率隨溶劑含量的增加而顯著增大，隨陶瓷表面粗糙度的增加而略有增大。這是由于溶劑含量的增加會(huì)顯著降低增韌劑的黏度，表面粗糙度越大的陶瓷其表層孔隙的半徑會(huì)略大，均有利于增韌劑滲入陶瓷表層。

液體邊界在毛細(xì)管中的浸潤(rùn)速率服從公式(4)所示的Poisuelle方程[17]，Poisuelle方程很好地解釋了這一現(xiàn)象，即液體在毛細(xì)管中的浸潤(rùn)速率與黏度成反比，與孔徑成正比。

(4)

式中：x為液體邊界在時(shí)間t內(nèi)前進(jìn)的距離；η為液體的黏度；R為毛細(xì)管的半徑；Δp為液體在毛細(xì)管前進(jìn)的動(dòng)力，即彎曲液面兩側(cè)的壓力差。

表2 不同配比的增韌劑在三種粗糙度陶瓷表層的平均浸潤(rùn)速率Table 2 Average infiltration rates of toughening agents with different ratios on the SiC ceramic surfaces of three kinds of roughness ceramics

2.3 不同配比增韌劑的固化速率及影響規(guī)律

固化時(shí)間越短，增韌劑在短時(shí)間內(nèi)就更容易達(dá)到凝膠狀態(tài)，其性狀更加黏稠，作為能量吸收組元產(chǎn)生塑性變形時(shí)吸收的能量就越多，因此在滿足潤(rùn)濕性的條件下增韌劑的固化時(shí)間應(yīng)盡量的短。表3為不同配比增韌劑的固化時(shí)間(75 ℃)。由表3可知，在溶劑添加量為0.8的條件下，當(dāng)促進(jìn)劑添加量為0、0.01、0.02、0.03時(shí)，增韌劑的固化時(shí)間為26 min、19 min、17 min、17 min，未添加促進(jìn)劑增韌劑的固化時(shí)間明顯長(zhǎng)于添加促進(jìn)劑的增韌劑，這是由于DBU作為一種有機(jī)合成反應(yīng)促進(jìn)劑，可以加快環(huán)氧樹(shù)脂與聚酰胺樹(shù)脂發(fā)生加成聚合反應(yīng)，生成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的固化物。促進(jìn)劑添加量為0.02的增韌劑固化時(shí)間明顯短于添加量為0.01的增韌劑，而促進(jìn)劑添加量為0.03的增韌劑固化時(shí)間與添加量為0.02的增韌劑固化時(shí)間基本相同，這是因?yàn)?.02添加量的促進(jìn)劑已達(dá)到飽和使用量，因此當(dāng)添加更多的促進(jìn)劑時(shí)，對(duì)增韌劑的固化反應(yīng)影響不大。在促進(jìn)劑添加量為0.02的條件下，當(dāng)溶劑的添加量為0.8、0.9、1時(shí)，增韌劑的固化時(shí)間為17 min、20 min、24 min，溶劑含量越多，固化時(shí)間越長(zhǎng)，這是由于溶劑的含量越多，其揮發(fā)所需的時(shí)間越長(zhǎng)，增韌劑的固化時(shí)間越長(zhǎng)。

表3 不同配比增韌劑的固化時(shí)間(75 ℃)Table 3 Curing time of toughening agents with different ratios (75 ℃)

增韌劑的選取應(yīng)綜合考慮增韌劑的潤(rùn)濕性能、固化速率及碳化硅陶瓷的磨削加工深度，在滿足潤(rùn)濕性能的基礎(chǔ)上，選取固化時(shí)間較短的增韌劑。陶瓷磨削加工中磨削深度一般為10～35 μm。蘇州科技大學(xué)許陸昕等[22]在碳化硅陶瓷超聲振動(dòng)輔助精密磨削的研究中將磨削深度控制在<35 μm；南京航空航天大學(xué)的丁凱等[23]在研究磨削用量對(duì)超聲輔助磨削碳化硅效果的影響時(shí)將磨削深度控制在<14 μm。綜上所述，選取配比為1 ∶0.9 ∶0.5 ∶0.02的增韌劑作為碳化硅陶瓷的表面增韌劑，該增韌劑在粗糙度為0.1 μm、0.2 μm與0.8 μm碳化硅陶瓷表面的接觸角分別為22.521°、21.433°與19.040°，浸潤(rùn)深度約為40 μm，浸潤(rùn)時(shí)間為160 s，在75 ℃的環(huán)境溫度中的固化時(shí)長(zhǎng)為20 min。

3 增韌劑性能表征

3.1 涂覆增韌劑前后碳化硅表層微觀形貌

使用掃描電子顯微鏡觀測(cè)了三種粗糙度碳化硅陶瓷在涂覆增韌劑前后的表層微觀形貌，如圖5所示。由圖5可知，配比為1 ∶0.9 ∶0.5 ∶0.02增韌劑的浸潤(rùn)效果良好，可浸潤(rùn)絕大多數(shù)裂紋與孔隙，但對(duì)于表面粗糙度為0.2 μm與0.8 μm的SiC陶瓷表層，有個(gè)別孔隙未被填封，這是因?yàn)樘沾杀韺佑械目紫犊讖竭^(guò)于細(xì)小，在表面張力的作用下，增韌劑有時(shí)無(wú)法滲入。

圖5 涂覆增韌劑前后不同粗糙度SiC陶瓷表層微觀形貌Fig.5 Surface morphology of the surface of SiC ceramics with different roughness before and after coating with toughening agents

3.2 涂覆增韌劑前后碳化硅表層的硬度

使用掃描電子顯微鏡觀測(cè)了三種粗糙度碳化硅陶瓷在涂覆增韌劑前后表層維氏壓痕形貌，如圖6所示，測(cè)量壓痕對(duì)角線長(zhǎng)度，并通過(guò)公式(5)中維氏壓痕硬度(HV)計(jì)算公式計(jì)算出對(duì)應(yīng)的陶瓷表層硬度值：

(5)

式中：F表示載荷；S表示壓痕表面積；α表示壓頭相對(duì)面夾角；d表示平均壓痕對(duì)角線長(zhǎng)度。

表4為增韌劑涂覆前后不同粗糙度SiC陶瓷表層維氏硬度值。由表4可知，配比為1 ∶0.9 ∶0.5 ∶0.02的增韌劑可使三種不同粗糙度碳化硅陶瓷表層硬度均下降25%左右。增韌劑的使用顯著降低了陶瓷表層硬度，這極大改善了陶瓷材料的表層力學(xué)性能，可以預(yù)測(cè)涂覆該增韌劑陶瓷在磨削加工中其崩碎損傷程度應(yīng)會(huì)減小。

圖6 涂覆增韌劑前后三種粗糙度SiC陶瓷表層維氏壓痕形貌Fig.6 Vickers indentation morphology of the surface of three kinds of roughness SiC ceramics before and after coating with toughening agent

表4 增韌劑涂覆前后不同粗糙度SiC陶瓷表層維氏硬度值Table 4 Vickers hardness of SiC ceramics with different roughness before and after coating with toughening agent

4 結(jié) 論

(1)本文制備出一種用于碳化硅陶瓷磨削加工中使用的表層增韌劑。增韌劑的配制質(zhì)量比為m(E51雙酚A型環(huán)氧樹(shù)脂) ∶m(無(wú)水乙醇) ∶m(651型低相對(duì)分子質(zhì)量聚酰胺樹(shù)脂) ∶m(DBU)=1 ∶0.9 ∶0.5 ∶0.02，該增韌劑在碳化硅陶瓷表層的浸潤(rùn)深度約為40 μm，浸潤(rùn)時(shí)間約為160 s，在75 ℃的環(huán)境溫度中的固化時(shí)長(zhǎng)為20 min。

(2)增韌劑的潤(rùn)濕性能隨溶劑添加量的增加而提高；增韌劑的固化速率隨溶劑添加量的增加而降低，隨促進(jìn)劑添加量的增加而提高；碳化硅陶瓷表面粗糙度越大，增韌劑的潤(rùn)濕性能越好。

(3)涂覆增韌劑可使碳化硅陶瓷表層硬度下降約25%，改善了碳化硅陶瓷的表層力學(xué)性能，對(duì)降低碳化硅陶瓷磨削加工中的崩碎損傷具有重要意義。