顆粒填充環(huán)氧復(fù)合材料的摩擦學(xué)性能研究進(jìn)展

于志強(qiáng)，姜　月

(復(fù)旦大學(xué) 材料科學(xué)系，上海200433)

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顆粒填充環(huán)氧復(fù)合材料的摩擦學(xué)性能研究進(jìn)展

于志強(qiáng)，姜月

(復(fù)旦大學(xué) 材料科學(xué)系，上海200433)

闡述了近年來(lái)顆粒填充環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料摩擦學(xué)性能方面的研究進(jìn)展。分析了填充顆粒的種類(lèi)、尺寸、含量及顆粒表面改性對(duì)填充環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料摩擦學(xué)性能的影響；討論了載荷、滑動(dòng)速率及溫度等摩擦外在條件對(duì)其摩擦學(xué)性能的影響規(guī)律；探討了目前顆粒填充環(huán)氧復(fù)合材料摩擦磨損機(jī)理的研究現(xiàn)狀，指出了計(jì)算機(jī)模擬仿真技術(shù)將是顆粒填充環(huán)氧復(fù)合材料摩擦磨損性能未來(lái)研究的重要方向。

顆粒；環(huán)氧樹(shù)脂；復(fù)合材料；摩擦磨損；機(jī)理

環(huán)氧樹(shù)脂是一種各項(xiàng)性能優(yōu)異的熱固性樹(shù)脂，因其具有良好的黏結(jié)性、耐磨性、機(jī)械強(qiáng)度、化學(xué)穩(wěn)定性、耐高低溫性、收縮率低、易加工成型和成本低廉等特性，作為復(fù)合材料的基體、涂料、電子封裝、膠黏劑等而被得到廣泛的應(yīng)用[1-3]。環(huán)氧樹(shù)脂的環(huán)氧基團(tuán)為兩個(gè)C和一個(gè)O形成閉環(huán),此種結(jié)構(gòu)有很高的化學(xué)活性,可以與其他官能團(tuán)交聯(lián)形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。由于純環(huán)氧樹(shù)脂固化后呈三維交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，交聯(lián)密度高，內(nèi)應(yīng)力大、裂紋擴(kuò)張為脆性擴(kuò)展[4]，使得環(huán)氧樹(shù)脂的摩擦磨損性能變差，難以滿足日益發(fā)展的工程技術(shù)的要求，從而也限制了其應(yīng)用。顆粒填充環(huán)氧樹(shù)脂可有效地提高其摩擦磨損性能已得到業(yè)內(nèi)人士的認(rèn)同。 研究結(jié)果表明，顆粒特別是納米顆粒填充改性后，其力學(xué)性能得到提高的同時(shí)，摩擦磨損性能也能得到明顯的改善[5-7]。本文針對(duì)顆粒填充環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料摩擦磨損性能的影響因素進(jìn)行綜述，分析其磨損機(jī)理，并提出了今后研究應(yīng)當(dāng)重視的問(wèn)題。

1　填充顆粒對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂摩擦學(xué)性能的影響

關(guān)于填充顆粒對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料摩擦學(xué)性能的影響，主要體現(xiàn)在顆粒種類(lèi)、尺寸、含量、表面改性等幾個(gè)方面。

1.1顆粒種類(lèi)

用于改善環(huán)氧樹(shù)脂摩擦磨損性能的顆粒種類(lèi)目前主要有金屬顆粒、無(wú)機(jī)非金屬顆粒及有機(jī)高分子顆粒等。常見(jiàn)的金屬顆粒有Cu，Al，Ti，F(xiàn)e等,無(wú)機(jī)非金屬顆粒,如ZnO、Al2O3、SiO2、SiC、Si3N4、TiO2、碳納米管、石墨等，有機(jī)高分子顆粒,如聚四氟乙烯(PTFE)等。

對(duì)于金屬顆粒在聚合物復(fù)合材料摩擦過(guò)程中的作用，有研究者[8]認(rèn)為，金屬顆粒的填加增大了聚合物基復(fù)合材料的剪切強(qiáng)度，改善了聚合物轉(zhuǎn)移膜與摩擦對(duì)偶基體之間的黏結(jié)強(qiáng)度，從而提高了聚合物的耐磨性。在金屬顆粒Cu，Pb，Ni顆粒填充改性的PTFE復(fù)合材料的摩擦學(xué)性能研究中發(fā)現(xiàn)[9]，三種金屬顆粒的填加均改善了復(fù)合材料的耐磨性，其原因在于顆粒的填加均提高了PTFE復(fù)合材料的承載能力，增強(qiáng)了轉(zhuǎn)移膜與對(duì)偶表面間的黏附。傘金福等[10]用離子注入法將金屬離子(Al，Ti，F(xiàn)e離子)注入到環(huán)氧樹(shù)脂表面，金屬離子的注入均可使環(huán)氧樹(shù)脂的耐磨性提高，摩擦因數(shù)降低。他們認(rèn)為金屬離子的注入一方面使表面保持微量的吸附水，在摩擦過(guò)程中可以起潤(rùn)滑減摩作用；另一方面離子注入處理導(dǎo)致環(huán)氧樹(shù)脂表面基團(tuán)組成和鍵合狀態(tài)的改變，提高分子間的三維立體交聯(lián)程度，阻止分子鏈間的滑移，從而提高環(huán)氧樹(shù)脂的耐磨性能。

向環(huán)氧樹(shù)脂中填充無(wú)機(jī)非金屬顆粒是目前較為常用且有效地改善環(huán)氧樹(shù)脂摩擦學(xué)性能的手段。其中無(wú)機(jī)納米陶瓷顆粒由于其硬度高、剛性強(qiáng)、耐磨性好而被得到廣泛的關(guān)注。向環(huán)氧樹(shù)脂中填充納米ZnO顆?？梢燥@著改善環(huán)氧樹(shù)脂的摩擦學(xué)性能[11]。圖1顯示的是納米ZnO顆粒的填充量對(duì)填充環(huán)氧復(fù)合材料同不銹鋼對(duì)磨時(shí)的摩擦因數(shù)和磨損率影響的變化規(guī)律曲線，可以看出，隨著復(fù)合材料中ZnO納米顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加,摩擦因數(shù)先降低然后趨于穩(wěn)定；復(fù)合材料的磨損率比環(huán)氧樹(shù)脂的低，且隨著ZnO質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加,磨損率逐漸降低。

圖1　納米ZnO-EP復(fù)合材料試樣同不銹鋼對(duì)摩時(shí)的摩擦因數(shù)和磨損率隨填料質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化的關(guān)系曲線[11] Fig.1　Variations in the friction coefficient and wear rate of the composites with mass fraction of ZnO[11]

湯戈等[12]在研究納米Al2O3顆粒改善環(huán)氧樹(shù)脂耐磨性的實(shí)驗(yàn)中指出，添加納米Al2O3顆粒能使環(huán)氧樹(shù)脂的耐磨性能得到明顯的提高，盡管隨著添加量的增加，環(huán)氧樹(shù)脂的耐磨性經(jīng)歷提高、下降、再提高的過(guò)程，但均優(yōu)于純樹(shù)脂。石光等[13]也對(duì)納米Al2O3顆粒填充環(huán)氧樹(shù)脂的摩擦學(xué)性能進(jìn)行了一定的研究，得出了同樣的結(jié)論。

碳納米管由于其具有極高的強(qiáng)度和極大的韌性自問(wèn)世以來(lái)一直受到廣泛的關(guān)注。碳納米管表面結(jié)構(gòu)獨(dú)特，與石墨和C60具有相似的結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)出較好的減摩耐磨功能。將碳納米管填充于環(huán)氧樹(shù)脂中，研究其對(duì)環(huán)氧基體摩擦學(xué)性能的影響目前已取得一定的進(jìn)展。Zhang等[19]發(fā)現(xiàn)碳納米管填充環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料較純環(huán)氧樹(shù)脂具有更低的摩擦因數(shù)和磨損率，碳納米管在基體中的分散性對(duì)材料的摩擦學(xué)性能影響很大。文獻(xiàn)[20]在對(duì)碳納米管的分散程度對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料的摩擦磨損性能的影響研究中指出。隨超聲分散時(shí)間的延長(zhǎng)，復(fù)合材料的摩擦因數(shù)和磨損率均顯著下降。其原因認(rèn)為，延長(zhǎng)超聲時(shí)間，可提高碳納米管的分散程度，有效保護(hù)基體，防止基體在摩擦過(guò)程中發(fā)生脫落，從而提高材料的抗磨性。

在環(huán)氧樹(shù)脂中填充石墨以改善環(huán)氧樹(shù)脂摩擦學(xué)性能的研究也已見(jiàn)報(bào)道。利用石墨獨(dú)特的層狀結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的自潤(rùn)滑功能，Pan等[21]將石墨添加于環(huán)氧樹(shù)脂涂層中，并對(duì)石墨的添加量對(duì)環(huán)氧涂層的滾動(dòng)磨損和沖刷磨損性能的影響進(jìn)行較為深入的分析。認(rèn)為環(huán)氧涂層中隨著石墨含量的增加，與金屬發(fā)生滾動(dòng)摩擦?xí)r，其磨損量降低，但其耐沖刷磨損性能反而惡化。其原因是石墨的添加，提高了涂層的塑、韌性，對(duì)裂紋的萌生和擴(kuò)展都起著一定的延緩和阻止作用，這對(duì)提高涂層滾動(dòng)摩擦耐磨性是有利的；但隨石墨含量的增加，涂層韌性增加的同時(shí)，強(qiáng)度將下降，這更有利于微切削和撞擊產(chǎn)生磨損，因而導(dǎo)致沖刷磨損量增大。

有機(jī)高分子顆粒填充改性環(huán)氧樹(shù)脂摩擦磨損性能的研究目前還沒(méi)有充分的展開(kāi)。報(bào)道主要集中在有機(jī)氟化物顆粒。聚四氟乙烯(PTFE)作為性能優(yōu)異的固體潤(rùn)滑劑，由于具有特殊的長(zhǎng)線性分子鏈結(jié)構(gòu)，在摩擦過(guò)程中能在其表面與偶件表面形成低剪切強(qiáng)度轉(zhuǎn)移膜，展現(xiàn)出較低的摩擦因數(shù)[22],將其添加到聚合物中可以顯著降低聚合物的摩擦與磨損[23]。Chang等[24]對(duì)PTFE填充環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料的摩擦學(xué)性能進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究。通過(guò)對(duì)復(fù)合材料與金屬對(duì)偶面在摩擦過(guò)程中轉(zhuǎn)移膜的形成及性能表征分析，指出PTFE顆粒的加入能有效地縮短材料與金屬對(duì)偶面的磨合期。由于PTFE晶間距離大，結(jié)合能低，使得PTFE大分子在摩擦初期很容易脫離結(jié)晶區(qū)向?qū)ε济孓D(zhuǎn)移，形成均勻連續(xù)的轉(zhuǎn)移膜，導(dǎo)致材料的摩擦因數(shù)降低；同時(shí)隨著在對(duì)偶面較厚轉(zhuǎn)移膜的形成，在摩擦過(guò)程中能有效地防止材料表面的磨損，使磨損體積減小。Zhang等[25]對(duì)PTFE顆粒填充環(huán)氧復(fù)合材料的耐磨性進(jìn)行一定的考察，結(jié)果表明，添加10%的PTFE顆粒的環(huán)氧樹(shù)脂的磨損率較純樹(shù)脂下降約30%。除PTFE外，Brostow等[26]合成了一種分子主鏈含苯環(huán)的剛性有序鏈的有機(jī)氟化物(12F-PEK)，其結(jié)構(gòu)式如圖2所示。

圖2　12F-PEK 的結(jié)構(gòu)式[26]Fig.2　12F-PEK[26]

他們將合成的氟化物填充環(huán)氧樹(shù)脂中制備復(fù)合材料并對(duì)復(fù)合材料的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)摩擦進(jìn)行了較為深入的探究。結(jié)果表明，有機(jī)氟化物的加入對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料的靜、動(dòng)態(tài)摩擦均產(chǎn)生一定的影響，低濃度時(shí)，隨有機(jī)氟化物的添加，材料的動(dòng)、靜態(tài)摩擦均降低，當(dāng)添加濃度大于10%時(shí)，靜、動(dòng)態(tài)摩擦基本趨于穩(wěn)定，且動(dòng)態(tài)比靜態(tài)具有更好的摩擦性能。

1.2顆粒尺寸

顆粒的尺寸對(duì)于填充環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料的摩擦磨損性能影響很大。納米顆粒由于其尺寸小、比表面積大而表現(xiàn)出與常規(guī)粒子不同的物理和化學(xué)性質(zhì)，其與聚合物基體結(jié)合時(shí)表現(xiàn)出較好的界面結(jié)合。相對(duì)于微米級(jí)顆粒，納米顆粒對(duì)聚合物材料的摩擦學(xué)改性效果更為顯著。

Ng等[27]研究發(fā)現(xiàn)，納米級(jí)TiO2粒子比微米級(jí)TiO2粒子能更有效地提高環(huán)氧樹(shù)脂的拉伸強(qiáng)度和模量，同時(shí)降低復(fù)合材料的磨損率。在環(huán)氧樹(shù)脂中填充200nm的α-Al2O3與30～60nm的γ-Al2O3的復(fù)合材料的摩擦學(xué)研究表明，相同質(zhì)量分?jǐn)?shù)下的納米填料，粒度越小，對(duì)復(fù)合材料的摩擦學(xué)性能改善就越好。這主要是由于粒度越小，在復(fù)合材料中占有的分散體積越多，當(dāng)復(fù)合材料的表面層受到磨損時(shí)，更容易進(jìn)出于材料的表面層，充當(dāng)耐磨支撐點(diǎn)。王玉輝[28]在研究不同尺寸的橡膠顆粒填充環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料的摩擦學(xué)性能時(shí)發(fā)現(xiàn)，1～3μm的橡膠顆粒的填充能使環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料的耐磨性得到一定程度的提高，但相比尺寸為10～80nm的橡膠顆粒填充環(huán)氧復(fù)合材料來(lái)說(shuō)，其耐磨性提高的程度還有一定的差距。Wetzel等[29]實(shí)驗(yàn)研究認(rèn)為，在納米小尺寸顆粒填充環(huán)氧復(fù)合材料中進(jìn)一步添加一定量的微米顆?？梢燥@著地提高材料的耐磨性能，其原因主要是由于不同尺寸顆粒協(xié)同作用的結(jié)果。進(jìn)一步分析表明，微米級(jí)的CaSiO3(4～15μm)和納米級(jí)的Al2O3(13nm)都能有效地提高環(huán)氧樹(shù)脂基體的耐磨性能。但是，它們作用的磨損機(jī)理不同。納米復(fù)合材料由于硬的納米Al2O3顆粒的存在而呈現(xiàn)出輕微的磨粒磨損特征；而微米級(jí)CaSiO3復(fù)合材料的良好的磨損性能可能是因?yàn)轭w粒突出于樹(shù)脂材料的表層，從而減輕樹(shù)脂基體的嚴(yán)重磨損。

1.3顆粒含量

顆粒填充環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料的摩擦學(xué)性能研究表明，顆粒含量一般都有一個(gè)最佳值。齊陳澤等[5]通過(guò)實(shí)驗(yàn)總結(jié)出來(lái)的納米SiO2的含量對(duì)填充環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料摩擦學(xué)性能的影響規(guī)律。指出當(dāng)SiO2添加量約為6%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí)，材料的摩擦磨損性能最佳。

湯戈等[12]在研究α-Al2O3顆粒的填充量對(duì)環(huán)氧復(fù)合材料摩擦學(xué)性能影響中認(rèn)為，材料的摩擦學(xué)性能并不會(huì)因添加顆粒含量的增加而呈線性變化。當(dāng)顆粒添加量為低含量時(shí)，隨顆粒含量的增加，材料的耐磨性逐漸升高；當(dāng)顆粒的含量達(dá)到一定值后繼續(xù)增加顆粒的添加量時(shí)，材料的性能開(kāi)始下降。分析其原因認(rèn)為，主要是由于高含量顆粒易發(fā)生團(tuán)聚所致。Chun等[30]在研究納米clay環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料的摩擦性能時(shí)指出，納米顆粒的含量對(duì)材料的性能影響很大，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定當(dāng)顆粒的含量在4%時(shí)(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，材料的摩擦性能表現(xiàn)最為優(yōu)異。除此之外，在同類(lèi)的實(shí)驗(yàn)研究中，胡幼華等[11]確定納米ZnO的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%時(shí)，材料的磨損率最低；Wetzel等[29]得出納米氧化鋁粒子的體積分?jǐn)?shù)為2%時(shí)，環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料的磨損率降到最低，降低了30%，但在其他含量時(shí)，卻沒(méi)有這樣明顯的變化等。顆粒填充存在最佳含量原因，從前期的文獻(xiàn)分析認(rèn)為，主要是隨著顆粒含量的增加，顆粒間的團(tuán)聚逐漸加強(qiáng)，在較高顆粒填充量情況下，顆粒在基體中將無(wú)法達(dá)到理想的均勻分散，進(jìn)而影響顆粒的潤(rùn)滑作用，從而導(dǎo)致材料的減摩耐磨性能下降。

1.4顆粒表面改性

在制備顆粒填充環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料過(guò)程中，顆粒在環(huán)氧樹(shù)脂中的分散程度對(duì)材料的性能影響很大，特別是納米顆粒，由于其比表面積大，表面能高，粒子間極易團(tuán)聚，這樣不但使納米顆粒本身的性能不能得到正常的發(fā)揮，而且還會(huì)影響復(fù)合材料的綜合性能。Zhang等[31]在研究TiO2/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料時(shí)指出，納米粒子在聚合物中的分散情況對(duì)復(fù)合材料的摩擦和磨損性能十分敏感，如果微觀上分散均勻，其耐磨損性能可以顯著改善。為了解決這一問(wèn)題，對(duì)顆粒表面進(jìn)行改性，以改善顆粒在聚合物基體中的分散性，從而提高材料的性能，是一種行之有效的方法。Kim等[32]的研究表明，表面經(jīng)硅烷偶聯(lián)劑改性納米氧化鋁顆粒在環(huán)氧樹(shù)脂中的分散性得到大幅度提高，其復(fù)合材料更具有耐磨損性。對(duì)納米SiC顆粒表面進(jìn)行預(yù)處理，通過(guò)在顆粒表面接枝大分子聚丙烯酰胺，使得納米SiC顆粒在基體環(huán)氧中的分散性得到大幅度的改善。由于接枝鏈上含有能夠參與環(huán)氧樹(shù)脂固化反應(yīng)的酰胺基團(tuán)，使得納米SiC顆粒與環(huán)氧樹(shù)脂基體通過(guò)化學(xué)鍵緊密連接起來(lái)，復(fù)合材料界面強(qiáng)度得以提高，從而有效地阻止裂紋的引發(fā)，進(jìn)一步提高了復(fù)合材料的摩擦學(xué)性能[33]。石光等[13]用硅烷偶聯(lián)劑和丙烯酰胺(AAM)分別對(duì)納米Al2O3顆粒表面接枝處理，并對(duì)表面處理前后的粒子填充環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料的摩擦性能進(jìn)行分析，得出：表面經(jīng)改性處理的納米Al2O3填充環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料的摩擦性能較未改性的明顯提高。在相同體積分?jǐn)?shù)下，表面經(jīng)改性處理的顆粒填充復(fù)合材料具有更低的摩擦因數(shù)。

2　顆粒填充環(huán)氧樹(shù)脂摩擦學(xué)性能的條件影響因素

聚合物基復(fù)合材料的摩擦學(xué)性能是材料的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)和外在條件因素綜合作用的體現(xiàn)。它不僅與組成材料的各組分的性質(zhì)有關(guān)，還與材料所處的實(shí)驗(yàn)環(huán)境和條件密切相關(guān)，如對(duì)材料施加的載荷的變化、滑動(dòng)速率及溫度等影響因素。

2.1載荷

一般情況下，摩擦力的大小與作用于摩擦面間的法向載荷成正比，與接觸面積無(wú)關(guān)。但對(duì)于聚合物及其復(fù)合材料來(lái)說(shuō)，當(dāng)壓力較大時(shí)，摩擦力與法向載荷不呈比例關(guān)系，其與接觸面積的大小有關(guān)。在研究顆粒填充環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料摩擦學(xué)性能發(fā)現(xiàn)，無(wú)納米填充環(huán)氧樹(shù)脂及其納米顆粒填充環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料的摩擦因數(shù)均隨載荷的增大而減小，并到一定載荷后基本趨于穩(wěn)定。這主要是因?yàn)檩d荷對(duì)摩擦因數(shù)的影響是通過(guò)真實(shí)接觸面積的變化實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)載荷較低時(shí)，環(huán)氧樹(shù)脂及其顆粒填充復(fù)合材料與金屬表面的接觸處于彈性或黏彈性狀態(tài)，實(shí)際接觸面積與載荷成正比。繼續(xù)增加載荷，復(fù)合材料與金屬表面的接觸狀態(tài)由彈性(或黏彈性)轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄曰蝠に苄越佑|狀態(tài)，此時(shí)面積的增大完全取決于塑性變形，摩擦因數(shù)不隨載荷變化而變化，大致保持恒定[34]。

王玉輝[28]的研究結(jié)果表明，在干摩擦條件下，低載荷時(shí)材料的摩擦因數(shù)較高，高載荷時(shí)材料的摩擦因數(shù)反而變小且穩(wěn)定。這主要是由于載荷增大，磨損加劇，磨損表面溫度升高，從而產(chǎn)生大量的轉(zhuǎn)移膜，轉(zhuǎn)移膜的存在賦予了材料很好的自潤(rùn)滑特性。關(guān)于載荷對(duì)單一顆粒和混合顆粒填充環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料摩擦學(xué)性能的影響，德國(guó)凱澤斯勞滕工業(yè)大學(xué)的科研人員已開(kāi)展了一定的研究工作[35]。他們將一定量的納米TiO2、石墨及兩者的混合填料填充環(huán)氧樹(shù)脂中制備復(fù)合材料，并考察了在滑動(dòng)速率一定的條件下，載荷對(duì)復(fù)合材料摩擦學(xué)性能的影響。結(jié)果表明，在施加載荷范圍內(nèi)(10～40N),顆粒的添加均能有效地改善環(huán)氧基體的摩擦學(xué)性能。隨著載荷的增加，單相顆粒填充環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料的磨損率增加，摩擦因數(shù)減??；混合顆粒填充復(fù)合材料具有更低的磨損率和更小的摩擦因數(shù)。載荷對(duì)復(fù)相顆粒填充復(fù)合材料的摩擦學(xué)性能的變化影響不大，其原因主要是由于混合顆粒之間的協(xié)同作用，摩擦副表面轉(zhuǎn)移膜有效地形成以及納米顆粒的強(qiáng)化效應(yīng)共同作用的結(jié)果。

2.2滑動(dòng)速率

滑動(dòng)速率對(duì)聚合物基復(fù)合材料的摩擦因數(shù)和磨損率都有一定的影響。一般來(lái)說(shuō)，隨滑動(dòng)速率的增加，材料的摩擦因數(shù)和磨損率都會(huì)隨之有所增加。孟凡寧等[36]分析了不同摩擦條件下環(huán)氧樹(shù)脂的磨損率隨滑動(dòng)速率的變化規(guī)律，指出在干摩擦下材料的磨損率隨滑動(dòng)速率的增加而明顯增加；水潤(rùn)滑下的磨損率在滑動(dòng)速率較低情況下，磨損率增加較少，在高速時(shí)磨損率變化較大。于晶等[37]考察了在干摩擦條件下向端異氰酸酯基聚丁二烯液體橡膠與環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料(ETPB)中添加一定量的納米Al2O3前后復(fù)合材料的磨損率及摩擦因數(shù)與滑動(dòng)速率之間的關(guān)系。得出ETPB的磨損率隨滑動(dòng)速率的增加明顯增加，而添加納米Al2O3后的磨損率顯著降低，且隨滑動(dòng)速率增加其磨損率變化不大。納米Al2O3添加前后復(fù)合材料的摩擦因數(shù)均隨滑動(dòng)速率增加有所增加，但納米Al2O3的加入使ETPB 的摩擦因數(shù)明顯降低。

文獻(xiàn)[38]還研究了在一定載荷作用下，滑動(dòng)速率對(duì)單一顆粒和復(fù)相顆粒填充環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料的摩擦學(xué)性能的影響。在一定載荷作用下，隨著滑動(dòng)速率的增加，納米TiO2/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料的磨損率在較高滑動(dòng)速率下(0.6～3m/s)逐漸增加,摩擦因數(shù)在整個(gè)滑動(dòng)速率考察范圍內(nèi)呈下降趨勢(shì)；單一石墨填充環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料摩擦因數(shù)受滑動(dòng)速率變化的影響很小，基本上處于恒定值。由于混合顆粒的協(xié)同作用，使得納米TiO2和石墨混合填充環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料在滑動(dòng)速率范圍內(nèi)具有更低的磨損率，除0.2m/s外，復(fù)合材料呈現(xiàn)出最低的摩擦因數(shù)，表現(xiàn)出該材料具有更加優(yōu)異的摩擦學(xué)性能。

2.3溫度

溫度是影響聚合物及其復(fù)合材料摩擦學(xué)性能的主要因素之一。聚合物復(fù)合材料摩擦和磨損失效破壞大多與材料性能對(duì)溫度的高度依賴(lài)性有關(guān)。一般情況，在低溫環(huán)境下，隨著溫度的降低，聚合物及其復(fù)合材料的表面硬度增加，同時(shí)也提高了無(wú)定形或半結(jié)晶材料的結(jié)晶度。硬度的增加提高了材料的抗變形和抗磨粒磨損性能，從而改善了材料的耐磨性能；在高溫環(huán)境下，隨溫度的升高，在摩擦熱的作用下，聚合物表面層的物理狀態(tài)發(fā)生了由玻璃態(tài)向高彈態(tài)、黏流態(tài)轉(zhuǎn)變，由于表面形成了低黏度的黏流層而使聚合物材料具有低而穩(wěn)定的摩擦因數(shù)和較高的磨損率。張宗華等[39]研究了納米氧化鋁顆粒表面改性對(duì)Al2O3/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的影響規(guī)律，對(duì)于表面改性的Al2O3/環(huán)氧體系，由于改性納米顆粒與環(huán)氧相容性較好，對(duì)體系增黏效果小，所以固化劑在環(huán)氧中的擴(kuò)散較均勻，最終使復(fù)合材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度降低幅度較小。針對(duì)從溫度對(duì)材料熱變形性的影響的角度，研究溫度對(duì)材料摩擦學(xué)性能的影響規(guī)律，紀(jì)秋龍等[40]考察了環(huán)氧樹(shù)脂及其SiC顆粒填充復(fù)合材料在一定溫度條件下的熱變形變化，如圖3所示?？梢钥闯觯诃h(huán)境溫度高于100℃情況下，隨溫度升高，環(huán)氧樹(shù)脂及其填充復(fù)合材料的熱變形均明顯增加，表明材料的抵抗熱形變的能力下降，硬度降低，其結(jié)果將導(dǎo)致材料的耐磨性能下降。相比之下，在相同的溫度下，表面接枝PAAM改性的SiC顆粒填充環(huán)氧復(fù)合材料具有更強(qiáng)的抵抗熱形變能力，顆粒表面有機(jī)改性后表現(xiàn)出與環(huán)氧基體更好的界面結(jié)合，增強(qiáng)效應(yīng)加強(qiáng)，因此該復(fù)合材料在反復(fù)的摩擦熱機(jī)械作用過(guò)程中會(huì)表現(xiàn)出更好的耐磨損性能。

圖3　環(huán)氧樹(shù)脂及其復(fù)合材料的熱變形曲線[40]Fig.3　Heat distortion behavior of epoxy and its composites[40]

石光等[13]也對(duì)納米氧化鋁顆粒的填充對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂的熱變形行為影響進(jìn)行了分析。結(jié)果表明,含經(jīng)過(guò)表面處理的納米Al2O3復(fù)合材料的熱變形量比環(huán)氧樹(shù)脂基體的小，特別是接枝處理納米微粒填充復(fù)合材料的熱變形量顯著降低。說(shuō)明引入納米微?？商岣卟牧系哪蜔嶙冃文芰Γ瑥亩共牧显谕鶑?fù)摩擦過(guò)程中能夠保持較好的尺寸穩(wěn)定性，表現(xiàn)出良好的摩擦磨損性能。

顆粒填充環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料的摩擦學(xué)性能除上述條件影響因素外，還受滑動(dòng)距離、接觸方式、潤(rùn)滑條件及對(duì)磨面表面結(jié)構(gòu)與性質(zhì)等因素的影響。針對(duì)不同材料組成體系，有不同的影響結(jié)果。從目前該領(lǐng)域的研究情況來(lái)看，這些影響因素對(duì)其他聚合物基體顆粒填充復(fù)合材料摩擦學(xué)性能的影響已進(jìn)行一定程度的研究，但考察這些因素綜合作用對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂基顆粒填充復(fù)合材料摩擦學(xué)性能的影響還需進(jìn)一步充分展開(kāi)。

3　顆粒填充環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料磨損機(jī)制

磨損是一種十分復(fù)雜的微觀動(dòng)態(tài)過(guò)程。聚合物及其復(fù)合材料的磨損機(jī)制通常主要有黏著磨損、磨粒磨損和疲勞磨損[41，42]。黏著磨損主要與材料的分子間作用力有關(guān)，任何可以提高材料的潤(rùn)滑性能或交聯(lián)反應(yīng)的技術(shù)均可改善其耐黏附磨損性能,其主要特征是在對(duì)偶面上產(chǎn)生轉(zhuǎn)移膜。磨粒磨損主要由復(fù)合材料中的硬質(zhì)顆粒和硬質(zhì)粗糙的對(duì)磨面引起的，復(fù)合材料強(qiáng)的界面結(jié)合以及任何可以提高表面硬度或強(qiáng)度的處理技術(shù)均可改善材料的耐磨粒磨損性能。疲勞磨損主要是由于裂紋的形成引起的，經(jīng)常發(fā)生在對(duì)磨面表面較光滑、黏附磨損較輕的情況下，疲勞磨損率一般比前兩者低。前期實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，純環(huán)氧樹(shù)脂在反復(fù)摩擦力作用下的磨損機(jī)制主要是黏著磨損。顆粒加入后，由于顆粒在磨損表面起保護(hù)基體作用，其磨損機(jī)理將轉(zhuǎn)為磨粒磨損和疲勞剝落。

齊陳澤等[15]用掃描電鏡觀察了在干摩擦條件下納米SiO2顆粒填充環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料的磨損表面形貌，發(fā)現(xiàn)純環(huán)氧樹(shù)脂表面粗糙，存在大量的片狀和粒狀磨屑，分析其磨損機(jī)制主要是黏著磨損；填充4%納米SiO2的復(fù)合材料的磨損表面相對(duì)較光滑，但仍存在細(xì)小的顆粒和犁溝，推測(cè)其磨損機(jī)制主要為磨粒磨損和黏著磨損。羅穎等[17]在分析納米Si3N4顆粒表面改性前后填充環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料的磨損機(jī)理時(shí)指出，純環(huán)氧樹(shù)脂在摩擦力的反復(fù)作用下，裂紋是從表面層以下開(kāi)始發(fā)展的，表現(xiàn)為非常嚴(yán)重的疲勞磨損和黏著磨損。顆粒表面有機(jī)改性后，由于提高了顆粒與環(huán)氧基體的相容性和界面黏結(jié)強(qiáng)度，從而能有效地傳遞應(yīng)力，阻止裂紋的擴(kuò)展，由嚴(yán)重的疲勞磨損及黏著磨損轉(zhuǎn)為輕微的磨粒磨損。汪加勝等[43]研究了納米氮化硅粒子和短碳纖維混雜填充環(huán)氧樹(shù)脂前后材料的磨損機(jī)制的變化。結(jié)果表明，純環(huán)氧樹(shù)脂的摩擦表面仍出現(xiàn)了嚴(yán)重的黏著磨損破壞，而混雜填充復(fù)合材料磨損表面磨屑增多，說(shuō)明磨損機(jī)理從黏著磨損逐漸過(guò)渡到磨粒磨損。他們還對(duì)磨損變化過(guò)程進(jìn)行推測(cè)分析，認(rèn)為顆粒的含量對(duì)磨損機(jī)制的改變有一定的影響。在低體積含量時(shí)，由于顆粒和纖維脫落均比較少，脫落的部分有助于環(huán)氧樹(shù)脂在對(duì)偶面形成的轉(zhuǎn)移膜的穩(wěn)定性，主要是黏著磨損機(jī)理在起作用；高體積分?jǐn)?shù)時(shí)，顆粒的團(tuán)聚將導(dǎo)致脫落的幾率大大增加，而磨屑又會(huì)破壞在對(duì)偶面上形成的轉(zhuǎn)移膜，在轉(zhuǎn)移膜的不斷形成和被破壞的循環(huán)中，復(fù)合材料的磨損機(jī)理將從黏著磨損轉(zhuǎn)變成磨粒磨損，其中還夾雜著疲勞磨損?？傊?，顆粒填充環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料磨損機(jī)制的影響因素很多，如顆粒的性質(zhì)、測(cè)試條件、潤(rùn)滑條件及接觸面特性等，條件不同，作用的結(jié)果不同。在材料的實(shí)際磨損過(guò)程中，可能是一種機(jī)制在起主要作用，也可能是幾種機(jī)制共同作用的結(jié)果。

4　結(jié)束語(yǔ)

顆粒填充環(huán)氧樹(shù)脂基復(fù)合材料的摩擦學(xué)性能的研究目前已取得了一定的成果。從前期的研究狀況來(lái)看，主要集中在對(duì)材料的內(nèi)部組成和外部條件因素對(duì)摩擦和磨損性能的影響考察，而綜合考慮多方面因素對(duì)材料的摩擦學(xué)性能的影響研究還尚未特別充分的展開(kāi)。隨著減摩耐磨部件對(duì)材料的性能要求越來(lái)越高，開(kāi)發(fā)新型高性能顆粒填充環(huán)氧復(fù)合材料的研究將是擺在研究者面前的一個(gè)重要的課題。設(shè)計(jì)研制高性能填充顆粒，如從單一顆粒變?yōu)閺?fù)相顆粒、顆粒的不同性質(zhì)、不同尺寸的調(diào)配，另外顆粒與環(huán)氧基體間的界面相容性設(shè)計(jì)等問(wèn)題，將是解決這一課題的重要思路。顆粒填充環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料的摩擦磨損機(jī)理影響因素很多且復(fù)雜。一般，對(duì)于一定條件下的摩擦磨損過(guò)程通常是一種或幾種磨損機(jī)理綜合作用的結(jié)果，因此，深入全面分析顆粒填充環(huán)氧復(fù)合材料在摩擦磨損中的變化機(jī)制，探究材料的結(jié)構(gòu)與其摩擦學(xué)性能的關(guān)系，總結(jié)材料磨損和失效規(guī)律，進(jìn)而進(jìn)一步揭示材料的潤(rùn)滑和減摩耐磨本質(zhì)，為材料設(shè)計(jì)提供一定的理論依據(jù)，這方面還有大量的工作要做。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)在當(dāng)今材料研究領(lǐng)域已起著非常重要的作用。利用計(jì)算機(jī)模擬仿真技術(shù)研究材料摩擦磨損過(guò)程中的熱性能變化，從而指導(dǎo)材料的組織性能設(shè)計(jì)，將是顆粒填充環(huán)氧復(fù)合材料摩擦磨損性能未來(lái)研究的重要方向。

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Research Progress in Tribological Properties of Particles Filled Epoxy Resin Composites

YU Zhi-qiang，JIANG Yue

(Department of Materials Science,Fudan University,Shanghai 200433，China)

The recent progress of researches on the tribological properties of the epoxy resin composites filled by the particles was reviewed. The influences of species,sizes,content,surface modification of the particles on the tribological properties of filled epoxy composites were analyzed. The effects of the external factors such as load,sliding speed and temperature on the tribology were summarized. The mechanism of friction and wear were discussed. It is pointed out that the computer simulation technology will be the developing tendency of friction and wear mechanism of the particles/epoxy resin composites in the future research.

particle; epoxy; composite; friction and wear; mechanism

10.11868/j.issn.1001-4381.2016.03.018

TB332

A

1001-4381(2016)03-0114-08

國(guó)家自然基金項(xiàng)目(51273044)

2014-02-28；

2015-10-12

于志強(qiáng)(1965-)，男，副教授，博士，研究方向：復(fù)合材料，聯(lián)系地址：上海市邯鄲路220號(hào)復(fù)旦大學(xué)材料系(200433)，E-mail:yuzhiqiang@fudan.edu.cn