玻璃纖維增強(qiáng)樹脂磨具復(fù)合材料的制備及性能研究

梁寶巖，楊本勇

（中原工學(xué)院，鄭州450007）

樹脂磨具在各種磨削加工中獲得廣泛應(yīng)用［1－2］.樹脂磨具的主要特點(diǎn)是自銳性好、不易堵塞 、加工效率高、加工表面粗糙度小，但耐熱性差、強(qiáng)度低、損耗比較快.為了改善樹脂磨具的性能，比如強(qiáng)度、硬度和耐磨性等，需要添加適量的輔助材料，也稱之為填料，常見的無機(jī)非金屬填料有氧化鋅和氧化鉻.

填料的種類對(duì)磨具的性能有一定的影響.通過調(diào)整氧化鋅等填料的組成或添加適量新型填料，可顯著改善樹脂磨具的使用性能.科研人員進(jìn)行了大量的研究工作，比如彭進(jìn)、孫保帥、高濤等分別在原料中添加適量的納米氮化硅和納米二氧化硅，顯著改善了樹脂磨具的力學(xué)性能和耐熱性［3－5］.

雖然上述氧化物添加劑可顯著改善樹脂磨具的使用性能，但這些添加劑都是納米材料，原料價(jià)格比較昂貴，并不適合于工業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)，因此應(yīng)考慮成本廉價(jià)的新型填料.玻璃纖維是一種纖維狀結(jié)構(gòu)功能材料，具有強(qiáng)度高、化學(xué)穩(wěn)定性好、分散性好、耐高溫、絕緣性好、燒失量低、吸油率低等特點(diǎn).將玻璃纖維用于工程塑料改性，顯示出耐高溫性、耐高熱性、耐腐蝕性能，良好的機(jī)械強(qiáng)度、電絕緣性、高強(qiáng)度、高彈性模量、高硬度等優(yōu)點(diǎn)，因此，玻璃纖維成為了一種塑料改性的新型功能性增強(qiáng)增韌材料［6－8］.

本文通過在酚醛樹脂基體中摻雜玻璃纖維以提高樹脂磨具的力學(xué)性能，從而增加樹脂磨具的使用壽命.

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 原材料

粒度170目的棕剛玉；粒度200目的酚醛樹脂；純度99%、粒度300目的銅粉；粒度200目的分析純氧化鋅；粒度200目的分析純?nèi)趸t；直徑10μm、長度50～200μm的玻璃纖維.玻璃纖維形貌如圖1所示.

圖1 玻璃纖維形貌圖

1.2 樹脂磨具的制備

表1是不同原料配方表.其中試樣1為傳統(tǒng)的樹脂磨具配方，不含玻璃纖維.以試樣1中氧化物混合料為基礎(chǔ)，用玻璃纖維替代氧化物，其他試樣中玻璃纖維的體積含量逐漸增加，從試樣2到試樣8，替代氧化物混合料的玻璃纖維的體積含量分別為10%、20%、30%、40%、60%、80%、100%.按表1中配方進(jìn)行配料，充分研混后過篩，放入條形模具中熱壓成型，壓制溫度180℃，時(shí)間30min，壓力100MPa，脫模后試樣的固化工藝為180℃／4h.

表1 原料配比

1.3 分析與測(cè)試儀器

油壓機(jī)；彎曲強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)儀；洛氏硬度計(jì)（HR50）；DHG－9240A型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱；掃描電子顯微鏡.顯現(xiàn)得更加明顯.

圖2 試樣的彎曲變形－彎曲應(yīng)力變化關(guān)系示意圖

2 結(jié)果與討論

圖2所示是試樣的彎曲變形與彎曲應(yīng)力的變化關(guān)系示意圖.從圖2中可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)不摻雜玻璃纖維時(shí)（曲線1），試樣變形量僅約為0.41mm，載荷為389N時(shí)發(fā)生了斷裂.當(dāng)替代氧化鋅與氧化鉻的玻璃纖維的體積含量為20%時(shí)（曲線3），試樣的變形量和斷裂前的載荷值均顯著增加，分別達(dá)到0.57mm和762N.當(dāng)取代氧化鉻與氧化鋅的玻璃纖維的體積含量為80%時(shí)（曲線7），試樣的變形量和斷裂前的載荷值分別增至最大，達(dá)到0.67mm和779N，與不摻雜玻璃纖維的試樣相比分別提高了65%和100.2%.當(dāng)全部用纖維作為無機(jī)填料時(shí)（曲線8），試樣變形量與載荷值有所下降.這可能是由于纖維比粉體顆粒更難于燒結(jié)，當(dāng)纖維替代全部顆粒做填料后，必然導(dǎo)致燒結(jié)活性下降，試樣的致密度下降，因此材料的力學(xué)性能也相應(yīng)下降.

此外，在位移－應(yīng)力變化曲線上還可以觀察到一個(gè)明顯的現(xiàn)象，即位移大約在0.4mm左右時(shí)，摻雜纖維的曲線存在一個(gè)拐點(diǎn)，而該點(diǎn)正是沒摻纖維試樣斷裂的位移處，這種拐點(diǎn)在纖維含量高時(shí)（曲線7和8）

從以上結(jié)果可知，由于玻璃纖維的補(bǔ)強(qiáng)機(jī)制，顯著增強(qiáng)了試樣承受外力的能力，并體現(xiàn)在位移與應(yīng)力變化關(guān)系曲線上.

圖3所示為各試樣的彎曲強(qiáng)度變化圖.從圖3可以看到，不摻雜玻璃纖維的試樣1的彎曲強(qiáng)度值僅為9.9MPa，而當(dāng)替代氧化鉻與氧化鋅的玻璃纖維的體積含量達(dá)到20%時(shí)，試樣的強(qiáng)度上升到20.6MPa，是未摻雜玻璃纖維時(shí)的一倍多；而且摻雜玻璃纖維的試樣的強(qiáng)度值均高于不含玻璃纖維時(shí)的強(qiáng)度值.當(dāng)替代氧化鉻與氧化鋅的玻璃纖維的體積含量達(dá)到80%時(shí)，試樣強(qiáng)度值達(dá)到最大值22.8MPa，相比未摻雜玻璃纖維的試樣的強(qiáng)度約提高了128.9%.

摻雜玻璃纖維的試樣的強(qiáng)度并不是簡單地隨玻璃纖維摻雜量的增大而增大，而是先增大后減小再增大，呈M型.玻璃纖維增強(qiáng)效果首先促進(jìn)了復(fù)合材料的強(qiáng)度增大，并在摻雜量達(dá)到一定程度后，出現(xiàn)最大強(qiáng)度.對(duì)于只以玻璃纖維為填料而制備的試樣，填料的纖維形貌增加試樣的固化難度，不可避免地會(huì)在試樣中產(chǎn)生一定的空隙，從而降低試樣的強(qiáng)度，如圖3中的最后一個(gè)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)（試樣8）所示.同樣的，當(dāng)用部分氧化物替代玻璃纖維時(shí)，氧化物的顆粒形狀容易促進(jìn)復(fù)合材料的固化，從而改善材料的強(qiáng)度，因此，試樣7的強(qiáng)度大于試樣8的強(qiáng)度.

圖3 各試樣的彎曲強(qiáng)度變化圖

圖4所示為各試樣的洛氏硬度（HRC）值變化圖.從圖4可見，不摻雜玻璃纖維時(shí)試樣硬度值僅為9.5，當(dāng)摻雜少量玻璃纖維時(shí)試樣的硬度值顯著提高.摻雜20%的玻璃纖維（試樣3），試樣硬度值達(dá)到23.1HRC，提高了143.1%，是所有試樣中硬度最高的.試樣的硬度曲線隨纖維摻雜量的變化雖然也呈M型，但和彎曲強(qiáng)度相比存在明顯的差別.試樣3的硬度值是所有試樣中最大的，其他試樣的硬度增加效果并不明顯.這可能是由于玻璃纖維和氧化物粉體填料的硬度相差不大，因此只有添加適量纖維才能獲得最佳效果.

圖4 各試樣的硬度變化圖

從以上結(jié)果可知，添加玻璃纖維對(duì)試樣的力學(xué)性能具有顯著改善作用.纖維對(duì)復(fù)合材料的增強(qiáng)增韌機(jī)制一般有3種：纖維脫粘、纖維拔出和纖維橋接［9］.纖維脫粘是指纖維脫離基體，并產(chǎn)生新的表面.纖維拔出是指靠近裂紋尖端的纖維在外應(yīng)力作用下沿著它和基體的界面滑出的現(xiàn)象.裂紋橋接是指對(duì)于特定位向和分布的纖維，裂紋很難偏轉(zhuǎn)，只能沿著原來的擴(kuò)展方向繼續(xù)擴(kuò)展.通過這3種機(jī)制，會(huì)使裂紋發(fā)生彎曲和扭轉(zhuǎn)，從而起到顯著的增強(qiáng)機(jī)制.正是纖維有如此多的增強(qiáng)機(jī)制，樹脂材料的力學(xué)性能才會(huì)發(fā)生如此明顯的改善.

3 結(jié) 語

本文采用玻璃纖維替代傳統(tǒng)無機(jī)非金屬填料（氧化鋅與氧化鉻）應(yīng)用于樹脂磨具.研究結(jié)果表明，添加玻璃纖維后，試樣的強(qiáng)度、硬度均有不同程度的提高，最大分別提高128.9%和143.1%.

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