嵌入式共固化复合材料阻尼结构湿热处理前后的摩擦磨损性能研究

【化学工程与材料科学】

嵌入式共固化复合材料阻尼结构湿热处理前后的摩擦磨损性能研究

梁森1，王辉1，雒磊1，梁天锡2

(1.青岛理工大学 机械工程学院，山东 青岛266033; 2.中国工程物理研究院，四川 绵阳621900)

摘要：按照T300/QY8911复合材料预浸料固化工艺曲线制成嵌入式共固化复合材料阻尼结构试件，分别对其进行摩擦、磨损实验，同时对湿热试验后试件作耐磨性对比，获得了该复合材料的摩擦系数和磨损量随阻尼层厚度变化曲线，并对实验数据进行分析和研究；结果表明：湿热处理前后，阻尼结构的抗摩擦、磨损特性是随阻尼层厚度的增加而降低；穿孔阻尼结构能较大程度地提高嵌入式共固化复合材料阻尼结构的抗摩擦、磨损性能；在相同阻尼薄膜厚度情况下，穿孔阻尼结构在湿热处理前摩擦系数和磨损量分别降低了9.85%和16.67%,在湿热处理后摩擦系数和磨损量分别降低了8.32%和11.43%；为进一步探索全天候、超高速、高耐磨性能的嵌入式共固化复合材料有重要的指导意义。

关键词：嵌入式共固化复合材料阻尼结构；摩擦磨损特性；湿热处理；穿孔阻尼结构

收稿日期：2014-06-27

基金项目：国家自然科学基金资助项目(51375248)；中国工程物理研究院“仪表板的设计与开发”资助项目

作者简介：梁森，男，教授，主要从事大阻尼功能复合材料研究。

doi:10.11809/scbgxb2015.01.036

中图分类号：TB535

文章编号：1006-0707(2015)01-0128-06

本文引用格式：梁森，王辉，雒磊，等.嵌入式共固化复合材料阻尼结构湿热处理前后的摩擦磨损性能研究[J].四川兵工学报，2015(1):128-132.

Citation format:LIANG Sen, WANG Hui, LUO Lei, et al.Tribological Properties of Embedded Co-Cured Composite Damping Structures Before and After Hygrothermal Environment Treatment[J].Journal of Sichuan Ordnance,2015(1):128-132.

Tribological Properties of Embedded Co-Cured Composite Damping

Structures Before and After Hygrothermal Environment Treatment

LIANG Sen1, WANG Hui1, LUO Lei1, LIANG Tian-xi2

(1.College of Mechanical Engineering, Qingdao Technological University, Qingdao 266033, China;

2.China Academy of Engineering Physics, Mianyang 621900,China)

Abstract:According to the cure curve of T300/QY8911, the specimens of the embedded co-cured composite damping structure were manufactured. The friction and wear experiments of the specimens were completed and the tribological properties of the embedded co-cured composite damping structure vs. the thickness of damping membrane were obtained by making a comparison with specimens before and after hygrothermal environment treatment, respectively. The result shows that the friction and wear coefficients are enhancing with the increasing of damping layer thickness, and the embedded co-cured perforated damping layer composite structure can improve the tribological properties. In the same thickness of damping membrane, by comparing with a continuous damping structure, the friction and wear coefficients of a perforated damping layer composite structure are decreased by 9.85% and 16.67% before hygrothermal environment treatment, respectively. The friction and wear coefficients are reduced by 8.32% and 11.43% after hygrothermal environment treatment, respectively. The conclusion is very important for the theoretical prediction of the wear-resistant of the embedded co-cured perforated damping layer composite structure.

Key words: embedded co-cured composite damping structure; friction and wear property; hygrothermal environment treatment; perforated damping structure

复合材料结构本身的阻尼特性要比常见金属的高10～100倍，在一定程度上控制了结构的共振幅值、提高了结构的疲劳寿命和抗冲击能力[1,2]，但是在应用中仍然偏低[3-6]，复合材料力学性能的可设计性又为其阻尼性能的进一步提高和结构的优化提供了广阔的空间，嵌入式共固化复合材料阻尼结构(Embedded Co-cured Composite Damping Structure,ECCDS)正是利用这一特性将三种不同性质的材料(如碳纤维、树脂和粘弹性阻尼材料)，通过物理或化学的方法经人工或现代工艺复合而成的一种多相固体。从它的组成和结构上分析，其中有一相在层内基本上是连续的称为基体，如树脂，而另一相是分散被基体所包容的称为增强相，如碳纤维，还有一相是各向同性的粘弹性阻尼材料。其基体相、增强相和粘弹性阻尼材料在性能上起协调作用，从而达到大幅度地提高复合材料构件阻尼的目的，得到单一材料难以比拟的综合力学性能。与传统阻尼形式相比这种事先阻尼处理结构是镶嵌在基体材料内部的，具有不脱落、抗老化等优点，因此这种复合材料层合阻尼结构一经提出就成了众多国内外学者研究的热点内容[4-9]，然而目前的探索都是在自然环境下进行的[8-12]，要使这种材料应用于全天候、超高速的飞行器、运载器等设备，就必须对其在湿热环境处理后的抗摩擦、磨损性能进行探究，但时至今日相关文献报道非常稀少。为此本文通过实验研究嵌入式共固化复合材料在不同环境处理后摩擦系数和磨损量来探讨ECCDS的抗磨性能，并对实验结果进行详细分析与讨论，为进一步探索全天候、超高速、高耐磨性能的嵌入式共固化复合材料奠定坚实基础。

1实验试件

1.1连续阻尼结构试件制备

参考文献为研究嵌入式共固化复合材料的摩擦、磨损性能，本文根据[12,13]采用碳纤维/双马来酰亚胺(T300/QY8911)的共固化工艺制成嵌入式耐高温大阻尼复合材料试件，其中粘弹性阻尼层采用刷涂工艺制得，根据国标HB7401—1996通过高压水切割制成长为50 mm，宽为50 mm的正方形复合材料试件，其厚度参数和最终试件分别见表1和图1。

1.2穿孔阻尼结构试件制作

穿孔阻尼复合材料结构能在几乎不降低整体结构刚度的前提下大幅度提高ECCDS的阻尼性能[14]，作为对比试件，本文使用穿孔阻尼结构试件，其层合结构如图2所示。

表1　试件主要几何参数　mm

图1　嵌入式共固化复合材料试件

图2　穿孔阻尼结构示意图

穿孔阻尼结构是在粘弹性材料层上按照指定尺寸要求穿孔后再与碳纤维预浸料进行共固化，从而制成穿孔阻尼复合材料结构试件。在共固化工艺中，上、下蒙皮的树脂会变成液态，在抽真空、加压和加热环境下，液态树脂会贯通阻尼穿孔层将两侧的复合材料部分相连，从而提高了阻尼结构的整体刚度。具体如图3所示。

图3　穿孔阻尼层共固化后的复合材料结构

1.3湿热处理

为了研究ECCDS湿热后的摩擦、磨损性能，作为对比实验，根据国标HB7401-1996分别将相同条件制作的试件进行湿热处理，即将试样先干燥，使其达到工程干态后，然后在78℃～80℃的蒸馏水中进行浸泡，每5 h取出称重直至其重量变化量小于0.02%后，再进行烘干达到工程干态，就制成湿热处理后的ECCDS试件。

2摩擦、磨损分析实验

2.1实验所用仪器

摩擦实验采用的是美国CERT公司的UMT-3，实验仪器和试件装夹分别如图4、图5所示。

磨损试验采用的是天辰公司MHR-3数显立式万能磨损试验机，实验仪器如图6所示，实验试件的夹持如图7所示。

图4　CERT摩擦系数测量仪

图7　实验试件的装夹

2.2实验方法

将嵌入式共固化复合材料试件用强力胶水固定在实验仪器的实验台上，摩擦实验的加载力为2.5 N，加载时间5 min，采用直径为5 mm的钢球与试件进行往复式干摩擦; 磨损实验采用50 N的加载力，磨损时间为30 min，转速为500 r/min，采用3个成120°角分布的直径为17 mm的钢球进行干磨损，注意要保证试件装夹牢固可靠，避免在摩擦和磨损实验时造成试件脱落，磨损后的试件如图8所示。

图8　磨损后的嵌入式共固化复合材料试件

2.3测试结果及对比

2.3.1ECCDS测试结果

通过试验测得ECCDS试件的摩擦系数随阻尼层厚度的变化如表2所示；ECCDS试件的磨损量随阻尼层厚度的变化如表3所示。

表2　摩擦系数随阻尼层厚度的实验结果

2.3.2湿热处理后ECCDS测试结果

为了比较，这里将做过湿热处理后的试件再次进行摩擦、磨损实验，现将所测摩擦系数随阻尼层厚度的变化列入表4，湿热处理前、后试件摩擦系数随阻尼层厚度的变化曲线绘于图9；并将湿热处理后ECCDS试件的磨损量随阻尼层厚度的变化列入表5，湿热处理前、后ECCDS试件的磨损量随阻尼层厚度的变化关系绘于图10。

表3　磨损量随阻尼层厚度的实验结果

表4　湿热后ECCDS试验结果

表5　湿热后ECCDS磨损试验结果

图9　湿热处理前、后摩擦系数曲线对比

图10　湿热处理前、后磨损量曲线对比

2.3.3穿孔阻尼结构的测试结果

这里采用穿孔孔径为2 mm，孔距为10 mm，阻尼层厚度为0.2 mm的ECCDS进行摩擦、磨损实验。结果与相同厚度连续阻尼试件对比如表6所示。

表6　穿孔阻尼摩擦、磨损试验结果及对比

3数据分析

3.1连续阻尼结构测试结果分析

由于高分子材料的摩擦、磨损是一个非常复杂的动态过程,它主要与材料的硬度和密度因素有关。根据Archard的摩擦、磨损规律,即硬质材料与软质材料对磨时,软质材料的磨损量与其硬度成反比[15]。从图9和图10可知：随着嵌入式共固化复合材料阻尼层厚度的增加，ECCDS的摩擦系数和磨损量都是增加的，这是由于ECCDS的整体刚度随着阻尼层厚度的增加而降低[16,18-21]。当钢球在相同外力的作用下压在阻尼薄膜较厚的试件表面时，在试件表面压入的凹坑就比较深，也就是说试件的表面硬度比较低，从而导致磨损量随阻尼层厚度的增加而增加。对于相同材质和表面粗糙度的试件，其表面硬度越小，摩擦系数就会变大，从而使试件更容易被磨损，所以ECCDS的抗摩擦、磨损性能也随着阻尼层厚度的增加而有不同程度地降低。

3.2湿热处理后ECCDS测试结果分析

由图9和图10知：湿热处理后试件的摩擦系数和磨损量均比湿热前大，这是由于阻尼结构在湿热环境下大量水分子进入ECCDS中，当试件烘干后，水分蒸发，在ECCDS中留下大量的微观孔洞，形成如图11所示的细微多孔组织，使ECCDS的密度降低，从而使试件的抗摩擦、磨损性能下降。这里的降低是由硬度和密度共同作用的结果，从而使得湿热处理后ECCDS摩擦系数和磨损量均比湿热前大。当阻尼层厚度超过一定值时(如这里0.4 mm)，湿热试验后试件的摩擦系数和磨损量会略高于湿热前试件，这是由于当阻尼层厚度达到一定值时，整体结构的刚度就不随阻尼层厚度的增加而发生显著变化，也就是说湿热前、后其表面的硬度几乎不再随阻尼层厚度的变化而显著变化，而湿热实验处理后的多孔结构导致密度降低在起作用。因此，出现了较厚阻尼层的ECCDS试件其湿热试验后试件的摩擦、磨损性能略高于湿热处理前的试件。

图11　试件湿热处理后的SEM图

3.3穿孔阻尼结构测试结果分析

从表6可知：湿热前穿孔阻尼结构其摩擦系数和磨损量比连续阻尼结构分别降低了9.85%和16.67%，湿热后穿孔阻尼结构摩擦系数和磨损量比连续阻尼结构分别降低了8.32%和11.43%。

究其原因是穿孔阻尼结构在上、下蒙皮之间有许多由树脂构成的“树脂钉”，正如图3所示，这些树脂钉的存在，使上、下蒙皮之间的硬支撑点增加，穿孔结构越多即孔距越小[14,16]，硬支撑点也多，每个支撑点之间的距离越短，从而使整体结构的刚度有很大程度地提高，相当于ECCDS试件表面的硬度增加，正是由于穿孔阻尼结构提高了整体结构的刚度，从而提高ECCDS的表面硬度，使得整个结构的抗摩擦、磨损性能提高。因此，穿孔阻尼结构可以有效地提高ECCDS的抗摩擦、磨损性能。

4结论

摩擦、磨损性能直接影响着ECCDS在超高速、全天候运载工具中的应用前景，本文通过对不同阻尼薄膜厚度的ECCDS试件进行摩擦、磨损实验，测得不同阻尼层厚度的摩擦系数和磨损量，并与湿热实验后试件、穿孔阻尼薄膜试件的研究结果进行了对比，主要结论：

湿热实验前、后的ECCDS试件其摩擦系数和磨损量都随着阻尼层厚度的增加而增加。在相同阻尼层厚度时，湿热处理后试件的摩擦系数和磨损量均大于湿热处理前试件的摩擦系数和磨损量，说明湿热处理能降低ECCDS结构的抗摩擦磨损性能。穿孔阻尼复合材料结构能提高ECCDS的抗摩擦、磨损性能。即在同等条件下，湿热实验处理前穿孔阻尼结构与相同厚度的连续阻尼结构相比其抗摩擦、磨损性能分别提高9.85%和16.67%；湿热实验后穿孔阻尼的抗摩擦、磨损性能与相同厚度的连续阻尼结构相比分别提高8.32%和11.43%。因此，穿孔阻尼结构可以有效改善ECCDS的摩擦、磨损特性。如果改变穿孔阻尼结构的孔径和孔距就能设计穿孔阻尼复合材料结构表面的抗摩擦、磨损性能。

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(责任编辑杨继森)