礦渣微粉填充樹脂基復合材料力學性能和摩擦學性能研究

黃明輝，高誠輝，何福善，林有希

(福州大學 機械工程及自動化學院，福建 福州 350108)

0 引言

樹脂基復合材料因其良好的化學穩(wěn)定性、耐疲勞性、耐腐蝕性和粘接性，以及較高的機械強度[1]，而被航空和機械領域所應用。但單純的樹脂基復合材料熱衰退嚴重、摩擦系數(shù)不穩(wěn)定、耐磨性差。因此其應用范圍受到了很大的限制。通過對樹脂的改性或者加入不同的填料可顯著改善其摩擦學性能及工程應用上的特性[2]。煉鋼廠排出的礦渣是一種無規(guī)則網(wǎng)絡玻璃體結構[3]，其主要成份是CaO，SiO2，Al2O3等，這些成份具有作為摩擦材料組分的潛質[4]。選用礦渣作為填料，不僅降低大部分成本，也可以實現(xiàn)礦渣的資源化和高附加值化，具有很大的實際意義。目前，礦渣只用于建筑方面[5]，用于樹脂基復合材料的研究還很少。課題組主要研究在于開發(fā)綠色制動器，在前期對鎂鹽晶須[6]和竹纖維[7]作為增強纖維以及粉煤灰[8]作為填料的研究基礎上，以樹脂為基體，以竹纖維和鎂鹽晶須等為增強纖維，采用不同粒度和不同摻量的礦渣微粉進行填充，用熱壓成型的方法配制試樣，對復合材料的沖擊強度、硬度及摩擦學性能進行測試，并通過磨損表面形貌觀察分析礦渣微粉填充對摩擦磨損性能的影響。

1 實驗方法

實驗用礦渣微粉來自山西長治鋼鐵公司，經(jīng)過干燥并篩選，獲得140目和200目兩種不同粒徑的礦渣。礦渣的熔點為1450～1550℃，機械強度高，其微晶抗彎強度為50～300MPa，硬度高、耐磨性能好。主要成分CaO，SiO2,Al2O3等，這些主要成份可以改善樹脂基復合材料的摩擦磨損性。其他配方原料為腰果殼油改性酚醛樹脂、鎂鹽晶須、無水硫酸鈣晶須、竹纖維、銅粉等，其含量見表1。礦渣微粉摻量(質量百分比)分別為0%、10%、20%、30%、40%。將處理后的原料按上述質量分數(shù)配成約45g的粉料，裝入JF801S型高速犁耙式混料機中充分攪拌3～6min，最終得到絮狀的混合物。將原料裝入模具中進行熱壓成型，成型壓力12～14MPa，成型溫度160℃～180℃，保壓時間4～6min，排氣5～8次。隨后在180℃下進行熱處理，并加工成標準試樣。

表1 試驗中復合材料所用原料配比

用XHRD-150型電動塑料洛氏硬度計測定試樣的硬度；用XJJ-5型簡支梁式擺錘沖擊試驗機測定試樣的沖擊強度，試樣尺寸為55mm×10mm×6mm，沖擊能量為0.98J，沖擊速度為2.9m/s；采用JF150D-II型定速摩擦試驗機對試樣的摩擦學性能進行測試，樣品尺寸為25mm×25mm×(5～7)mm，試樣壓力為0.98MPa，摩擦轉盤為HT250珠光體鑄鐵，轉速480r/min，盤溫分別為100℃,150℃,200℃,250℃,300℃,350℃。厚度采用千分尺測量，將所測厚度輸入計算機，自動算出磨損率，摩擦系數(shù)則由計算機自動記錄。每組樣品均重復4次取均值，磨損后磨痕在XL30ESEM型電子掃描電鏡下觀察其顯微結構。

2 實驗結果及分析

2.1 力學性能

140目和200目礦渣微粉不同摻量對復合材料的力學性能影響如圖1所示。從圖1(a)中可以看出在復合材料中加入礦渣微粉作為無機填料，可以增加試樣的硬度，硬度基本上隨摻量的增加而增加，在40%時達到最大值，140目和200目硬度分別為111.9 HRM和111.1HRM，較0%的分別高出5.9%和5.2%。從圖1(b)中可以看到試樣的沖擊強度基本隨著摻量的增加而下降，只有摻量為10%的試樣出現(xiàn)了大的波動。試樣的最小沖擊強度出現(xiàn)在40%時的3.2 kJ/m2和3.5kJ/m2。較0%的分別降低了37.5%和25.7%。

圖1 不同摻量140目和200目對復合材料力學性能的影響

出現(xiàn)上述的現(xiàn)象可能是因為礦渣微粉主要成分是CaO，SiO2，Al2O3，莫氏硬度等級達到了6～7級，屬于高硬度高模量填料。熱壓成型過程中，在高壓和高溫下能夠保持結構的完整性，提高試樣的硬度；礦渣微粉形狀不規(guī)則，而且200目的礦渣微粉其粒徑較小，這樣有利于與樹脂形成密實結構從而提高了試樣的硬度。試樣沖擊強度的下降主要是因為礦渣微粉是無機非晶相玻璃體而樹脂為連續(xù)相的高分子化合物，隨著摻量的增加降低了樹脂基體及結合面吸收沖擊能量的能力，使試樣的沖擊強度降低了。通過上述力學性能的分析可見，雖然對力學性能有所影響但都達到國標的要求，沖擊強度不小于3kJ/m2。

2.2 摩擦磨損性能分析

圖2所示為不同摻量下200目和140目試樣的摩擦系數(shù)隨溫度變化的曲線圖。

圖2 不同摻量140目和200目試樣在不同溫度下的摩擦系數(shù)變化圖

從圖2(a)中可以看出，加入礦渣微粉試樣的摩擦系數(shù)整體比未摻的高，并隨著摻量的增加摩擦系數(shù)隨之有所增加。溫度在100℃～200℃時除了摻量為10%的試樣外，其余試樣摩擦系數(shù)都隨著溫度的升高而增加，摻量為0%的試樣在200℃達到最大0.25。而在250℃～350℃時不摻或少摻礦渣微粉試樣均出現(xiàn)了熱衰退現(xiàn)象，350℃時0%的試樣摩擦系數(shù)達到最小的0.08。而摻量多的，如30%和40%的試樣衰退現(xiàn)象不明顯，甚至摩擦系數(shù)會隨著溫度的升高而有所提高，其中摻量為30%的試樣摩擦最為穩(wěn)定，200目的試樣變化范圍是0.30～0.36。試樣避免出現(xiàn)熱衰退的主要原因可能是由于礦渣微粉是在1000℃以上的高溫下產(chǎn)生的，其組成主要為陶瓷粉末，具有很好的耐熱性，與其他填料相比，更能增加摩擦材料的熱穩(wěn)定性；礦渣微粉的比熱達到0.84×103J/(kg ℃)，使試樣更能存儲摩擦余熱。所以增加礦渣微粉的摻量可以有效的規(guī)避熱衰退的產(chǎn)生。對比圖2(a)與圖2(b)可以發(fā)現(xiàn)不同粒徑大小對摩擦系數(shù)的影響也不相同。140目試樣的摩擦穩(wěn)定性不如200目試樣。例如摻量為30%的試樣，140目試樣的摩擦系數(shù)變化范圍是0.27～0.37，200目試樣的變化范圍則為0.30～0.36。產(chǎn)生這種情況可能是因為在高溫下200目試樣的顆粒嵌在摩擦材料中的分散程度比140目的大，且分布更均勻，對樹脂熱分解的減緩作用更顯著。140目微粉顆粒填充增強效果不如200目的試樣，因而有少許的熱衰退。

圖3 不同摻量140目和200目試樣磨損率

圖3是140目和200目微粉顆粒試樣在不同摻量下磨損率隨溫度變化的曲線圖。從圖3可以看出，低于250 ℃，所有試樣磨損率隨溫度增加略微增加，溫度高于250 ℃后隨著溫度的升高磨損率急劇增加。200目40%摻樣在350 ℃的磨損率最高，達到了1.89×10-7cm3/(N·m)；從摻量看，增加礦渣微粉后磨損率均有明顯降低；可以看出，礦渣微粉摻量在20%與30%的試樣，不管低溫還是較高溫度下的耐磨性均較好，而當摻量達到40%時磨損率突然增大，但還小于未摻量。磨損率隨溫度變化的原因是高溫時樹脂出現(xiàn)軟化，蒸發(fā)速度加快以及熱分解，因此降低了對增強體和填料起包裹作用，使纖維和其他顆粒剝落程度加劇，從而導致了高溫時磨損率變大。不同摻量磨損率變化原因是隨著礦渣粉摻量的增加，樹脂摻量相應的減少，10%～30%試樣中樹脂可以有效的將其他成分粘接為一個整體，從而顯示出較低的磨損率；摻量大至40%時，試樣由于樹脂摻量相對少，樹脂對增強體和填料的粘結作用下降，使得其他成分不能很好的粘接成一體的材料，從而在摩擦過程中更容易剝落增加磨損率。比較圖3(a)和3(b)可以看出，200目試樣的磨損率略大，這可能是由于140目試樣的顆粒大，分散性比200目試樣的小，樹脂的包裹性相對較好，因此剝落的程度相比較輕，其磨損率整體低于200目的。

綜上，摻入礦渣微粉后，礦渣微粉復合材料的摩擦磨損性能得到明顯改善。隨著礦渣微粉摻量的增加，材料的摩擦系數(shù)有所增加、穩(wěn)定性更優(yōu)越，磨損率得到一定改善。尤其是當200目礦渣微粉的摻量在30%的時候，復合材料整體摩擦磨損性能較佳，其摩擦系數(shù)穩(wěn)定在0.34上下，磨損率也保持較低水平。

2.3 不同摻量礦渣微粉樹脂基復合材料磨損表面的顯微形貌分析

圖4為未摻量和摻量礦渣微粉為30%試樣在350℃時摩擦磨損后的表面形貌照片。

圖4 未摻量和摻量為30%試樣磨損表面的SEM照片

從圖4可以發(fā)現(xiàn)，未摻量試樣其磨損表面呈現(xiàn)較為明顯的粘著痕跡，試樣的磨損形式主要是粘著磨損。摻量為30%的試樣的磨損表面則有明顯的磨痕并伴有坑洼。此時的磨損主要是以輕微的磨粒磨損及粘著磨損為主。對比兩種摻量試樣可以發(fā)現(xiàn)磨損形式由較為嚴重的粘著磨損轉變?yōu)檩p微的磨粒磨損及粘著磨損，因此未摻量試樣的磨損量高于30%試樣，這和實驗所得到的結論相符合。對比140目和200目試樣的表面不難發(fā)現(xiàn)，140目的表面出現(xiàn)的坑洼比較嚴重而200目的表面比較平整， 140目試樣的磨粒磨損也較為明顯。這主要是因為200目試樣由于分散性好且顆粒直徑較小磨損時剝離留下的凹坑較小且較為密集因而容易被磨合為平整表面，140目顆粒直徑較大剝落后容易形成磨損顆粒所以磨痕較為明顯。

3 結論

1) 在復合材料中加入礦渣微粉作為無機填料，摩擦系數(shù)高于未摻樣且更穩(wěn)定，試樣摩擦系數(shù)隨摻量增加而增大，140目摻量為40%的試樣摩擦系數(shù)達到最大0.44。

2) 增加礦渣微粉后復合材料的磨損率均有明顯降低，礦渣微粉摻量在20%～30%的試樣，不管是低溫還是較高溫度下的耐磨性均較好。綜合分析200目摻量為30%的試樣具有較好的綜合性能。

3) 在復合材料中加入礦渣微粉作為填料，試樣硬度提高，除個別試樣，硬度隨摻量的增加而增加，摻量為40%時140目和200目試樣硬度最高，分別達111.9 HRM和111.1 HRM，沖擊強度略有下降。

4) 通過對高溫磨損后的復合材料表面進行形貌觀察發(fā)現(xiàn)，礦渣微粉的摻量不同，試樣的磨損方式也不同。未摻樣以粘著磨損為主， 30%的摻樣以劃痕磨損和輕微粘著磨損為主。

致謝

本課題研究獲國家自然科學基金(51075074)和教育部博士點基金(51175085)資助，在此衷心感謝！。

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