基于鈦碳化鋁復(fù)合材料的體育器材摩擦磨損性能分析

李揚(yáng) 洪劍 董軍 李享

摘要：體育器材在使用過(guò)程中容易受到不同程度的摩擦磨損，從而導(dǎo)致器材的使用壽命變短。所以為了增強(qiáng)體育器材的抗磨損性能，文章通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究的方式對(duì)鈦碳化鋁復(fù)合材料的摩擦磨損性能進(jìn)行分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，鈦碳化鋁復(fù)合材料摩擦磨損性能服從微凸體干涉機(jī)制，并且當(dāng)滑動(dòng)速度不斷增加時(shí)，材料摩擦表明會(huì)形成一種氧化物薄膜，具有降低材料摩擦阻力的作用，且滑動(dòng)速度越大，該氧化物薄膜的覆蓋就會(huì)越大、越均勻，更有利于降低摩擦阻力;另外，法向荷載也會(huì)對(duì)影響材料性能，當(dāng)其不斷增加時(shí)，材料的摩擦系數(shù)就會(huì)隨之不斷降低?？傊?，鈦碳化鋁復(fù)合材料具有較好的抗摩擦磨損作用，能夠在體育器材中具有較好的使用效果。

關(guān)鍵詞：鈦碳化鋁復(fù)合材料;體育器材;摩擦磨損

中圖分類號(hào)：TQ050.4⁺8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1001-5922（2021）02-0071-05

隨著人類對(duì)體育運(yùn)動(dòng)的重視程度不斷提高，越來(lái)越多的人開始進(jìn)行體育運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)了體育器材的快速發(fā)展。由于材料對(duì)體育器材的性能起決定性作用，傳統(tǒng)的體育器材的抗擊強(qiáng)度弱、抗腐蝕差、耐摩擦性不好等，導(dǎo)致體育器材的使用壽命比較短，并且會(huì)降低體育器材的性能和使用效果。于是人類不斷研制性能更好的材料用于體育器材中，如今復(fù)合材料已經(jīng)在體育器材中發(fā)揮重要且廣泛的作用，提高了體育器材的綜合性能。鈦碳化鋁復(fù)合材料作為一種性能較好的材料，具有較高的強(qiáng)度、抗破壞機(jī)制好、抗氧化性能好，而且還具有很好的抗摩擦性能。由于體育器材的用途和使用環(huán)境，容易受到各種摩擦，從而影響到體育器材的外觀、使用效果和性能，所以將鈦碳化鋁復(fù)合材料用到體育器材中能夠提高器材的使用壽命。文章將以鈦碳化鋁復(fù)合材料為研究對(duì)象，通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究的方式對(duì)其摩擦磨損性能進(jìn)行分析。

1實(shí)驗(yàn)材料、儀器和方案

1.1實(shí)驗(yàn)材料和儀器

實(shí)驗(yàn)所需要的材料就是鈦碳化鋁復(fù)合材料塊，該塊狀物體的長(zhǎng)寬高分別為10mm、10mm、12mm。

實(shí)驗(yàn)所需的儀器有掃描電子顯微鏡、精密電子天平秤、能譜分析儀、X-射線衍射儀等。

1.2實(shí)驗(yàn)方案

文章對(duì)鈦碳化鋁復(fù)合材料摩擦學(xué)特性進(jìn)行研究，然后還會(huì)研究速度、法向荷載等因素對(duì)鈦碳化鋁復(fù)合材料摩擦磨損的影響。實(shí)驗(yàn)是在室溫環(huán)境下進(jìn)行，對(duì)試樣進(jìn)行摩擦磨損實(shí)驗(yàn)的狀況為干摩擦狀況。實(shí)驗(yàn)中設(shè)計(jì)的法向壓強(qiáng)范圍為0.2-0.6MPa，設(shè)計(jì)的摩擦滑動(dòng)速度范圍為20～30m/s。然后通過(guò)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)自動(dòng)檢測(cè)摩擦系數(shù)，為了得到更為精確的結(jié)果，進(jìn)行三次實(shí)驗(yàn)然后取其平均值作為結(jié)果。使用精密電子天平秤計(jì)算試樣的質(zhì)量損失，每一個(gè)試樣的摩擦?xí)r間為2min。當(dāng)需要對(duì)荷載進(jìn)行改變時(shí)需要對(duì)試樣預(yù)磨2min，此做法的目的在于降低摩擦不穩(wěn)定因素。另外，試樣在摩擦過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生溫度升高情況，會(huì)影響到實(shí)驗(yàn)結(jié)果，于是為了降低其影響，當(dāng)每次完成實(shí)驗(yàn)之后，需要將摩擦副自然散熱。摩擦磨損實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的各種數(shù)據(jù)結(jié)果會(huì)在Pc機(jī)上進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示和存儲(chǔ)，然后還會(huì)使用Origin軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。實(shí)驗(yàn)中將會(huì)使用掃描電子顯微鏡對(duì)試樣摩擦面形貌進(jìn)行觀察分析，通過(guò)使用X-射線衍射儀對(duì)試樣磨損面物相組成進(jìn)行分析，通過(guò)使用配套的能譜分析儀對(duì)試樣摩擦表面的元素成分進(jìn)行分析。

2鈦碳化鋁復(fù)合材料的摩擦磨損特性

試樣在進(jìn)行連續(xù)滑動(dòng)摩擦過(guò)程中，雖然其中滑動(dòng)速度保持不變，但是該行為是很不穩(wěn)定，主要表現(xiàn)在摩擦系數(shù)出現(xiàn)紊亂波動(dòng)的狀況。因?yàn)樵谀Σ吝^(guò)程中，摩擦面受到的摩擦狀況因?yàn)楦鞣N因素導(dǎo)致其存在不均衡現(xiàn)象，于是摩擦產(chǎn)生的熱力也會(huì)出現(xiàn)不均勻現(xiàn)象，就會(huì)存在失穩(wěn)現(xiàn)象。而且在摩擦過(guò)程中，整個(gè)試樣的元素、電能、化學(xué)能和光能等都會(huì)發(fā)生相互轉(zhuǎn)化，于是就會(huì)打亂試樣的平衡，然后出現(xiàn)磨損狀況。

2.1摩擦的微凸體理論

任何—個(gè)物質(zhì)表面經(jīng)過(guò)加工之后，即使其加工非常的精細(xì)化，但是其表面也會(huì)是粗糙不平的，表面有很多的微凸峰和凹谷，將其稱作為微凸體。在干摩擦狀態(tài)下，影響鈦碳化鋁復(fù)合材料的摩擦磨損主要因素在于表面幾何特征。另外，法向荷載和滑行速度也會(huì)影響摩擦磨損，其影響是通過(guò)改變接觸面微凸體的性質(zhì)。摩擦接觸面上微凸體相互干涉示意圖如圖1所示。

摩擦表面上微凸體的高度服從正態(tài)分布，于是其高度概率密度p（z）的表達(dá)式如下所示：

該公式為標(biāo)準(zhǔn)正太分布，pn（z）表示的是概率密度函數(shù)，即微凸體不同高度出現(xiàn)的概率。

有研究表明，物體表面因?yàn)橥拱疾黄?，所以在摩擦過(guò)程中兩個(gè)接觸面的實(shí)際面積占比非常小。所以物體之間的摩擦力實(shí)際上只與接觸面微凸體相關(guān)。有學(xué)者對(duì)摩擦面的實(shí)際接觸狀況進(jìn)行過(guò)研究，其結(jié)果表面物體在摩擦過(guò)程中一對(duì)微凸體不是同時(shí)發(fā)生破壞，而是逐個(gè)發(fā)生破壞，一對(duì)微凸體指的是兩個(gè)摩擦面上相互接觸的微凸體。

2.2摩擦系數(shù)的隨機(jī)波動(dòng)性

鈦碳化鋁復(fù)合材料之間摩擦?xí)r主要是微凸體接觸偶對(duì)的破壞，這種破壞是基于鏈?zhǔn)椒磻?yīng)模型，最先開始找到破壞的偶對(duì)就是最為薄弱的偶對(duì)，并且具有隨機(jī)性。于是就會(huì)導(dǎo)致鈦碳化鋁復(fù)合材料摩擦力具有隨機(jī)性，最終就會(huì)導(dǎo)致摩擦系數(shù)大小具有隨機(jī)波動(dòng)的性質(zhì)。

圖2即為瞬時(shí)摩擦系數(shù)曲線，此時(shí)的法向荷載為0.2MPa，滑動(dòng)速度為30m/s。從圖中可以看出，摩擦系數(shù)圍繞某一個(gè)數(shù)值進(jìn)行上下波動(dòng)，而且其上下波動(dòng)狀態(tài)屬于隨機(jī)性。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的主要原因在于微凸體干涉機(jī)制有關(guān)。通過(guò)頻率統(tǒng)計(jì)，得到如圖3所示的頻率統(tǒng)計(jì)直方圖，該圖正好與圖2的摩擦系數(shù)相對(duì)應(yīng)。圖3的結(jié)果表明鈦碳化鋁復(fù)合材料摩擦系數(shù)具有隨機(jī)波動(dòng)性，并且其波動(dòng)符合正態(tài)分布。

3影響鈦碳化鋁復(fù)合材料摩擦磨損性能的因素

3.1滑動(dòng)速度

滑動(dòng)速度作為影響摩擦系數(shù)非常重要的因素之一，于是文章保持法向壓強(qiáng)不變，然后研究滑動(dòng)速度對(duì)鈦碳化鋁復(fù)合材料摩擦磨損性能的影響。結(jié)果如圖4所示，從圖中可以看出，當(dāng)法向荷載為0.2MPa時(shí)，滑動(dòng)速度不斷增加，最終增加到30m/s，鈦碳化鋁復(fù)合材料的磨損率不斷增加，且為1.77x10^-6mm³/N·M，大致增加了0.41x10^-6mm³/N·M。當(dāng)法向荷載不斷增加，即為0.4MPa和0.6MPa時(shí)，摩損率的變化趨勢(shì)為不斷下降，所以當(dāng)滑動(dòng)速度為30m/s，這兩種法向荷載下的磨損率最低。

當(dāng)法向壓強(qiáng)保持不變時(shí)，滑動(dòng)速度對(duì)鈦碳化鋁復(fù)合材料摩擦系數(shù)的影響如圖5所示，從圖中可以看出，當(dāng)法向荷載為0.2MPa時(shí)，滑動(dòng)速度不斷增加時(shí)，摩擦系數(shù)不斷降低，且當(dāng)速度為30m/s時(shí)，摩擦系數(shù)降低到0.19，降低了0.09，當(dāng)荷載不斷增加時(shí)，即為0.4MPa時(shí)，其摩擦系數(shù)也在不斷降低，即速度為30m/s，其摩擦系數(shù)最小;當(dāng)法向荷載為0.6MPa時(shí)，摩擦系數(shù)處于不斷上升狀態(tài)，當(dāng)滑動(dòng)速度為30m/s時(shí)，其摩擦系數(shù)處于最大值。

通過(guò)上述分析滑動(dòng)速度對(duì)鈦碳化鋁復(fù)合材料磨損率和摩擦系數(shù)的影響可知，大體匕是當(dāng)滑動(dòng)速度不斷增加時(shí)，摩擦系數(shù)和磨損率的變化趨勢(shì)為不斷降低狀態(tài)，于是說(shuō)明鈦碳化鋁復(fù)合材料在比較快的速度摩擦情況下，具有比較好的摩擦磨損性能。有研究表明，鈦碳化鋁復(fù)合材料在摩擦過(guò)程中，摩擦面會(huì)生成一種氧化物薄膜，從而達(dá)到減低摩擦的損失，于是就會(huì)降低摩擦系數(shù)。當(dāng)摩擦速度不斷提高時(shí)，這種氧化物的生產(chǎn)速度將會(huì)更快，于是就會(huì)達(dá)到比較明顯的減膜效果。但是是否會(huì)形成這種氧化物薄膜還需要進(jìn)一步證實(shí)。

3.2法向荷載

法向荷載也是影響鈦碳化鋁復(fù)合材料摩擦磨損性能的重要因素。于是文章將對(duì)該因素進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，法向荷載對(duì)鈦碳化鋁復(fù)合材料磨損率的影響結(jié)果如圖6所示。從圖中可以看出，當(dāng)滑動(dòng)速度保持不變，法向荷載不斷增加時(shí)，磨損率的變化趨勢(shì)是先降低后增加;當(dāng)速度為20m/s，法向荷載為0.6MPa時(shí)，磨損率增加到2.32×10^-6mm³/N·M，增加了0.96x10^-6mm3/N·M，其增加幅度是比較小的;當(dāng)法向荷載為0.6MPa時(shí)，速度快的具有更低的磨損率。

圖7為法向荷載對(duì)摩擦系數(shù)的影響結(jié)果。從圖中可以看出，當(dāng)速度為20m/s時(shí)，隨著法向荷載的不斷增加，摩擦系數(shù)的變化趨勢(shì)為不斷降低，當(dāng)法向荷載為0.6MPa時(shí)，摩擦系數(shù)降低到0.17，降低了0.08;當(dāng)速度為30m/s時(shí)，隨著法向荷載的不斷增加，摩擦系數(shù)先降低后小幅度提高，于是在法向荷載為0.4MPa時(shí)，摩擦系數(shù)最小，但是與法向荷載為0.6MPa時(shí)的摩擦系數(shù)相差很小。

4鈦碳化鋁復(fù)合材料磨損面的狀態(tài)分析

通過(guò)上述分析之后能夠了解到滑動(dòng)速度對(duì)材料的摩擦磨損性能影響比較大，而法向壓強(qiáng)也具有一定的影響，但是沒(méi)有滑動(dòng)速度影響大。上述結(jié)論表明當(dāng)滑動(dòng)速度增加時(shí)，材料的磨損率和摩擦系數(shù)呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)，即材料具有更好的摩擦性能。

圖8為不同滑動(dòng)速度下材料磨損面形貌的SEM觀察圖，從圖中可以觀察到，當(dāng)滑動(dòng)速度不同時(shí)，摩擦面會(huì)形成不同形貌的薄膜，當(dāng)速度不斷增加時(shí)，其薄膜的覆蓋率就會(huì)增加，并且均勻性也會(huì)增加。

當(dāng)滑動(dòng)速度為30m/s時(shí)，薄膜成分的EDS分析結(jié)果如圖9所示，表1即為鈦碳化鋁復(fù)合材料磨損面的元素比例圖。從圖9和表1中可以看出，摩擦面所產(chǎn)生的薄膜主要包含的元素有O、AI、Ti，另外，還存在少量的Sn和C，于是可以判斷經(jīng)過(guò)摩擦之后的鈦碳化鋁復(fù)合材料表面形成的氧化物薄膜主要的組成成為有A1、Ti和Sn。

5結(jié)語(yǔ)

通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)表明，鈦碳化鋁復(fù)合材料在高速摩擦情況下具有較好的抗摩擦磨損性能，因?yàn)樵诨瑒?dòng)速度較大的情況下，材料摩擦面會(huì)形成摩擦氧化物薄膜，且當(dāng)速度越大時(shí)，該薄膜越多、越均勻，這種薄膜能夠能夠降低鈦碳化鋁復(fù)合材料的摩擦阻力，于是將其應(yīng)用到體育器材中，能夠大大提高體育器材的耐摩擦性能，于是有助于提高器材的使用壽命。