C-stalk/Cu復合材料的溫壓成形與表征

張 紅，吳慶定，彭 博

（中南林業(yè)科技大學 材料成形技術研究所，湖南 長沙 410004）

C-stalk/Cu復合材料的溫壓成形與表征

張 紅，吳慶定，彭 博

（中南林業(yè)科技大學 材料成形技術研究所，湖南 長沙 410004）

應用粉末冶金、木材科學與技術等交叉學科材料成形理論自主開發(fā)的木質(zhì)粉末溫壓成形新技術，以棉梗粉末為基材，以電解紫銅粉末等為強化因子，在不添加任何可能造成環(huán)境污染的膠粘劑的前提下，制備的溫壓復合材料C-stal / Cu的靜曲強度、內(nèi)結(jié)合強度分別高達85.30 MPa、7.13 MPa，磨耗量＜0.05 g/100 r、吸水率＜0.5%，且具有韌性斷裂特征；采用C-stalk / Cu復合材料制備的滑動軸承的壓潰強度、表觀硬分別高達103.7 MPa、53.1 HB，可望替代燒結(jié)青銅用于生產(chǎn)輕載滑動軸承，替代天然鐵梨木、紅木等珍貴木材用于生產(chǎn)高檔工藝品，從而在節(jié)約有色金屬與珍貴木材的同時為農(nóng)林木質(zhì)剩余物的高質(zhì)清潔利用開辟一條新途徑。

C-stalk / Cu復合材料；溫壓成形；滑動軸承；工藝品；特性表征

當今世界，人類對于石油、礦藏、森林等資源的開發(fā)與掠奪已到了瘋狂的地步。由此帶來的嚴重環(huán)境污染、氣候惡化與次生災害，促使人們不得不考慮如何降低對石油、礦藏、森林等資源的依賴程度。雖然人造板材等產(chǎn)業(yè)對城鄉(xiāng)木質(zhì)剩余物（包括林業(yè)剩余物、農(nóng)作物秸稈/果殼、木質(zhì)建筑垃圾、廢書廢紙等）資源的有效利用發(fā)揮了重要作用，但因膠粘劑導致的游離甲醛的釋放，使得多數(shù)人造板材的制造、使用、廢棄或再利用過程都不自覺的給人類奈以生存的環(huán)境帶來了不同程度的污染。另外，人造板材主要針對建筑裝潢市場，與機械工程材料基本無緣；而廣泛用于食品、醫(yī)療、紡織等領域機電設備的輕載滑動軸承主要由鐵/銅基燒結(jié)材料制造，因利用其多孔特性浸含潤滑油而省掉了油氈、油杯等供油裝置，但不論銅基還是鐵基燒結(jié)材料，不僅完全依賴于金屬礦藏，價格高，且由于潤滑油的存在對食品、醫(yī)藥、織物等產(chǎn)品難免造成一定程度的污染。那么，能否以城鄉(xiāng)豐富的木質(zhì)剩余物為基材，在不添加任何可能造成環(huán)境污染的膠粘劑的前提下，應用粉末冶金、木材科學與技術等交叉學科材料成形理論，開發(fā)一種生物基機械工程材料，成就一種生物質(zhì)功能材料綠色制造新工藝呢？筆者通過前期研究給出了肯定回答[1-5]。本研究借助木質(zhì)粉末溫壓成形原理與技術[6]，以棉梗粉末（簡稱C-stalk）為基材，以電解紫銅粉末（簡稱Cu）等為強化因子，成功制備出可望替代燒結(jié)青銅生產(chǎn)輕載滑動軸承的金屬化木質(zhì)復合材料，并對其性能與結(jié)構進行了表征。

1 試 驗

1.1 試驗粉末材料的制備

1.1.1 棉梗粉末的制備

棉梗15 kg，采集于湖南省桃源縣源三汊港產(chǎn)棉區(qū)。將棉?；蜾徎蚺尚《位蛐∑?，在60 ℃下真空干燥至含水率12%～15%，粉碎、過篩，制成-60目粉末備用。

1.1.2 C-stalk與強化因子的混合工藝

為解決C-stalk與Cu等強化因子混合不均勻且易偏析的難題，首先將-60目的C-stalk與高密度聚乙烯（PE）顆粒按質(zhì)量比1∶1進行混煉，并經(jīng)冷卻、破碎、篩分，得-60目的C-stalk/PE復合粉末；再將-60目的C-stalk/PE復合粉末與-200目Cu等強化因子均勻混合，然后加入-60目純C-stalk繼續(xù)混勻，得7種混合粉，使PE含量保持恒定值5%（質(zhì)量分數(shù)，下同），Cu的含量分別為5%、10%、15%、20%、25%、30%、35%。

1.2 溫壓C-stalk/Cu復合材料的制備與性能檢測

在155～160 ℃、90～110 MPa下對上述7種比例的混合粉末實施溫壓成形，保溫保壓30～60 min，獲得各類標準試件和滑動軸承，包括靜曲強度試樣(150mm×50mm×12mm)、內(nèi)結(jié)合強度試樣(50mm×50mm×12mm)、表面耐磨性試樣(Φ115 mm×Φ8.5 mm×8 mm)、壓潰強度試樣(Φ50 mm×Φ30 mm×25 mm)。測定試樣的靜曲強度、內(nèi)結(jié)合強度、表面耐磨性和吸水率以及滑動軸承的壓潰強度和表觀硬度，并觀察試樣的斷口形貌。

2 結(jié)果與分析

2.1 強化因子Cu的顆粒分布

強化因子Cu在溫壓復合材料C-stalk/Cu中的分布狀態(tài)如圖1所示。不難看出，借助棉梗粉末與高密度聚乙烯顆粒的混煉物獲得的C-stalk/PE復合粉末，是實現(xiàn)Cu等強化因子與C-stalk無偏析均勻混合的有效途徑。

圖1 溫壓復合材料C-stalk/Cu斷口形貌中的Cu分布(×100)Fig.1 Cu powder distribution inside fracture morphology of Cstalk/Cu composite material

2.2 物理力學性能

溫壓復合材料C-stalk/Cu的物理力學性能與Cu含量的關系曲線如圖2～6所示。

圖2表明，溫壓復合材料C-stalk/Cu的密度隨Cu含量的增加而增加。其誘因主要在于紫銅粉末的松裝密度（2.50～2.90 g·cm-3）約為棉梗粉末松裝密度（～0.15 g·cm-3）的15～20倍，同時也與C-stalk/Cu混合粉壓縮性的改善有關[5]。

圖2 Cu含量對溫壓復合材料C-stalk/Cu密度的影響Fig.2 Effect of red copper powder addition amount on density of C-stalk/Cu composite material by warm compaction

圖3 Cu含量對溫壓復合材料C-stalk/Cu吸水率的影響Fig.3 Effect of red copper powder addition amount on water absorption of C-stalk/Cu composite material by warm compaction

圖4 Cu含量對溫壓復合材料C-stalk/Cu靜曲強度的影響Fig.4 Effect of red copper powder addition amount on static bending strength of C-stalk/Cu composite material by warm compaction

圖5 Cu含量對溫壓復合材料C-stalk/Cu內(nèi)結(jié)合強度的影響Fig.5 Effect of red copper powder addition amount on internal bond strength of C-stalk/Cu composite material by warm compaction

圖6 Cu含量對溫壓復合材料C-stalk/Cu表面耐磨性的影響Fig.6 Effect of red copper powder addition amount on surface wearability of C-stalk/Cu composite material by warm compaction

圖3 表明，當Cu含量≤25%時， 溫壓復合材料C-stalk/Cu的吸水率基本保持同一水平（＜0.5%），只相當于高密度纖維板吸水率的10%；而當Cu含量＞25%時，溫壓復合材料C-stalk/Cu的吸水率隨Cu含量的提高增加較快，在Cu含量為35%時達到0.7%，但仍然低于高密度纖維板吸水率的12%[7]，說明溫壓復合材料C-stalk/Cu的孔隙度隨著Cu含量的增加略有增加，但總體吸水能力十分有限，這主要得益于C-stalk在溫壓成形過程的自塑化[5-6]。研究表明，在溫度、壓力與時間的交互作用下，C-stalk會軟化成熱塑性材料，即自塑化。圖7是純C-stalk溫壓成形壓坯的斷口塑化形貌。純C-stalk的自塑化為溫壓復合材料C-stalk/Cu的高致密化提供了有利條件。

圖4和圖5表明，隨著Cu含量的變化，溫壓復合材料C-stalk/Cu的靜曲強度和內(nèi)結(jié)合強度表現(xiàn)出類似的規(guī)律，即：首先隨著Cu含量的增加而快速增加，在Cu含量達到30%時獲得極大值，分別達到85.30 MPa、7.13 MPa，隨后緩慢下降，說明30%的Cu含量最有利于溫壓復合材料C-stalk/Cu力學性能的改善。這一結(jié)果與文獻[5-6]略有不同，體現(xiàn)在為獲得最佳性能改善效果所需的Cu含量由50%減少到了30%，這主要得益于C-stalk/PE膠煉復合粉末的引入以及由此帶來的C-stalk/Cu復合粉末混合均勻性的改善和偏析的消除，以及PE對C-stalk粉末在溫壓成形過程中的自塑化誘導[7-9]。

圖6表明，當Cu含量≤30%時，紫銅粉末添加量對溫壓復合材料C-stalk/Cu的表面耐磨性影響不大，與相對密度為0.8的6-6-3青銅燒結(jié)材料處于同一水平（≤0.044 g/100 r）。主要得益于溫壓復合材料C-stalk/Cu表面完整的硬質(zhì)碳化層的固體潤滑作用[5]；但當Cu含量＞30%時，溫壓復合材料C-stalk/Cu的表面磨耗量明顯增加，突破了0.05 g/100 r，但仍然優(yōu)于優(yōu)等實木地板漆膜[10]，可能的原因在于Cu等強化因子相對于C-stalk開始過剩，不宜在增加，具體有待深入研究。溫壓成形材料C-stalk的斷口塑化形貌見圖7。

2.3 溫壓C-stalk/Cu滑動軸承的特征性能

圖7 溫壓成形材料C-stalk的斷口塑化形貌Fig.7 3D-SDDM fracture plasticizing morphology of C-stalk material by warm compaction

溫壓C-stalk/Cu滑動軸承的徑向壓潰強度（根據(jù)GB6804）與表觀硬度（根據(jù)GB9097.1）分別如圖8、圖9所示。不難看出，合適的Cu含量有益于C-stalk/Cu滑動軸承的特征性能的改善，其徑向壓潰強度與表觀硬度均隨Cu含量的增加而提高，并在Cu含量為30%時達到最大值。Cu含量為30%時，溫壓C-stalk/Cu滑動軸承的徑向壓潰強度相當于燒結(jié)錫鉛青銅滑動軸承材料（FZ2365）標準要求的2/3，達到了103.7 MPa，對應的表觀硬度高達53.1 HB，完全符合燒結(jié)錫鉛青銅滑動軸承材料標準（GB2688）。但當Cu含量高于30%時，溫壓C-stalk/Cu滑動軸承的徑向壓潰強度、表觀硬度反而降低，說明溫壓C-stalk/Cu滑動軸承的最佳Cu含量為30%。這一現(xiàn)象可能與混合粉中C-stalk、Cu等的粒度及比表面積匹配相關，因Cu等強化因子相對于C-stalk顆粒過剩所致，具體有待深入研究。

2.4 溫壓復合材料C-stalk/Cu的斷口形貌

圖10為溫壓復合材料C-stalk/Cu的SEM與SDDM斷口形貌照片?？梢钥闯?，溫壓復合材料C-stalk/Cu自塑化充分，斷口韌窩明顯，是典型的韌性斷裂形式。據(jù)此可以部分解釋溫壓復合材料C-stalk/Cu具有良好的靜曲強度、內(nèi)結(jié)合強度、壓潰強度和表觀硬度等力學性能的成因。

圖8 Cu含量對溫壓C-stalk/Cu滑動軸承徑向壓潰強度的影響Fig.8 Effect of Cu addition to crushing strength of C-stalk/Cu sliding bearing by warm compaction

圖9 Cu含量對溫壓C-stalk/Cu滑動軸承表觀硬度的影響Fig.9 Effect of Cu addition to apparent hardness of C-stalk/Cu sliding bearing by warm compaction

圖10 溫壓復合材料C-stalk/Cu的斷口形貌Fig.10 Fracture morphology of C-stalk/Cu composite material by warm compaction

3 結(jié) 論

應用粉末冶金、木材科學與技術等交叉學科材料成形理論開發(fā)的木質(zhì)粉末溫壓成形新技術，以棉梗粉末為基材，在不添加任何可能造成環(huán)境污染的膠粘劑的前提下，在155～160 ℃、90～110 MPa工藝條件下實施溫壓成形，保溫保壓30～60 min制備的復合材料C-stalk/Cu及其滑動軸承制品具有如下性能與結(jié)構特征。

（1）溫壓復合材料C-stalk/Cu的吸水能力十分有限，Cu含量≤25%時的吸水率只相當于高密度纖維板吸水率的10%，保持＜0.5%，這主要得益于棉梗粉末在溫壓成形過程中的自塑化。

（2）溫壓復合材料C-stalk/Cu的靜曲強度和內(nèi)結(jié)合強度在Cu含量為30%時獲得極大值，分別高達85.30 MPa和7.13 MPa，這主要得益于C-stalk/PE膠煉復合粉末的引入以及由此帶來的C-stalk/Cu復合粉末混合均勻性的改善與偏析的消除，以及PE對C-stalk在溫壓成形過程中的自塑化誘導。

（3）獲得最佳靜曲強度與內(nèi)結(jié)合強度的溫壓復合材料C-stalk/Cu的表面耐磨性良好，其磨耗量＜0.05 g/100 r，僅為優(yōu)等實木地板漆膜的1/2，優(yōu)于相對密度為80%的6-6-3青銅燒結(jié)材料。

（4）采用溫壓復合材料C-stalk/Cu制備的滑動軸承的壓潰強度、表觀硬度分別高達103.7 MPa、53.1 HB，且具有韌性斷裂特征。

（5）溫壓復合材料C-stalk/Cu可望替代燒結(jié)青銅用于生產(chǎn)輕載滑動軸承，替代天然鐵梨木、紅木等珍貴木材用于生產(chǎn)高檔工藝品，從而在節(jié)約有色金屬與珍貴木材的同時為農(nóng)林木質(zhì)剩余物的高質(zhì)清潔利用開辟一條新途徑。

[1] 吳慶定, 楊小翠, 向仕龍, 等. 蘆葦稈粉末的熱脫附-氣相色譜/質(zhì)譜分析[J]. 光譜實驗室, 2011, 28(2): 531-538.

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Warm compaction forming and characterization of C-stalk/Cu composite material

ZHANG Hong, WU Qing-ding, PENG Bo
( Institute of Processing Technologies of Materials, Central South University of Forestry & Technology, Changsha 410004, Hunan,China)

By using inter-disciplinarity material forming theory of powder metakkurgy, wood science & technology etc., the new technology of wooden powder warm compaction forming has been developed. By taking cotton stalk powder as the substrate, taking electrolytic copper powder as the enhancer, without any adhesive, the static bending strength and internal bond strength of the produced C-stalk/Cu composite material went up to 85.30 MPa and 7.13 MPa respectively, the wearability ＜0.05g/100r, the water absorption＜0.5%; moreover, the fracture morphology had ductile fracture characteristics. The crushing strength and apparent hardness of the sliding bearing produced by C-stalk/Cu composite material reached 103.7 MPa and HB53.1 respectively. The composites can be used to produce fractional load sliding bearing and replace sintered bronze, and produce high-grade art-ware and replace lignumvitae, mahogany etc.. Thus, the nonferrous metal and precious wood can be saved, and a new path is opened up to use the wood residues.

C-stalk / Cu composite material; warm compaction; sliding bearing; art-ware; characterization

S781.7

A

1673-923X(2014)08-0101-05

2014-04-04

國家林業(yè)公益性行業(yè)科研專項經(jīng)費項目（201404508）；湖南省自然科學基金/常德市聯(lián)合基金（14JJ5018）；住房和城鄉(xiāng)建設部科學技術項目（2012-K4-27）；湖南省科技計劃項目（2013SK3156）

張 紅（1978-），女，吉林梅河口人，博士研究生，講師，主要從事生物質(zhì)功能材料與裝備方面的研究；

hngigi2006@163.com

吳慶定（1963-），男，博士，湖南桃源人，教授，主要從事生物質(zhì)功能材料與裝備方面的研究； E-mail：wudingle@126.com

[本文編校：文鳳鳴]