分层接结三维机织预制体增强酚醛树脂基材料的摩擦性能

龙 祥， 卢雪峰， 张建民， 吕凯明， 钱 坤

(1. 生态纺织教育部重点实验室(江南大学)， 江苏 无锡 214122；2. 江南大学 纺织服装学院， 江苏 无锡 214122)

分层接结三维机织预制体增强酚醛树脂基材料的摩擦性能

龙 祥1,2， 卢雪峰1,2， 张建民1,2， 吕凯明1,2， 钱 坤1,2

(1. 生态纺织教育部重点实验室(江南大学)， 江苏 无锡 214122；2. 江南大学 纺织服装学院， 江苏 无锡 214122)

为克服短切纤维和二维碳布增强预制体结构强度低的缺点，分别设计并制备了浅交弯联和深交联2种分层接结三维机织碳纤维预制体增强酚醛树脂基复合材料，并以相同复合工艺制备了短切碳纤维增强酚醛树脂基复合材料。测试碳纤维/酚醛树脂复合材料的摩擦性能，并通过观察3种复合材料的磨损表面和磨屑的微观形貌，探讨了其摩擦机制。结果表明：短切纤维复合材料的摩擦因数和磨损率最高，深交联的摩擦因数和磨损率最低，浅交弯联的居中。分层接结三维机织结构预制体具有优良的力学性能和整体性，会使复合材料在摩擦过程中减少磨屑与磨损，保持稳定的摩擦因数，从而使复合材料具有良好的摩擦性能。

碳纤维/酚醛树脂复合材料； 分层接结三维机织结构； 摩擦性能； 磨损率

碳纤维/酚醛树脂(C/PR)基摩擦材料是一种以碳纤维为增强体，以酚醛树脂黏结剂、增磨剂、减磨剂、填料和其他摩擦性能调节剂的混合料为基体的新型复合材料，其自润滑作用优良，且稳定性好，不与复合材料中的其他成分反应，高温时不易碳化、融化，力学强度高，导热性能好，作为增强体已被广泛应用于航空、汽车、轨道交通、军事等领域，并日益成为高性能摩擦材料研发的热点[1-3]。目前围绕C/PR摩擦材料树脂改性、基体配方优化、基本性能测试与改进的研究取得了卓有成效的成果。然而关于碳纤维增强体形态的研究鲜见报道。只有少部分学者研究了以二维碳织物为增强体的C/PR摩擦材料的制备与性能。杨斌[4]等设计了一种平纹碳布增强树脂基摩擦材料，研究了黏结剂对平纹碳布复合材料摩擦性能的影响。费杰[5-6]等从纤维机织体每束碳纤维单丝根数的角度分类，试样碳布分为1K、3K、6K等几种规格，并系统研究了平纹碳布规格对其湿式摩擦学性能的影响规律。

C/PR摩擦材料预制体的设计不仅影响着纤维增强效果的发挥，而且对制备工艺、材料性能都产生重要影响[7-10]。使用短切纤维预制体的摩擦材料，存在结构随机，可设计性差的严重缺陷。而采用二维碳布作为预制体的摩擦材料存在厚度低，易分层，难以承受大的扭转力矩的缺陷，所以在高转速，大压力等苛刻工况条件下易失效。随着人们对车辆传动系统的安全性和稳定性的要求越来越高，如何克服摩擦材料结构整体性差、易分层破坏、强度低的缺陷成为解决问题的关键。 而分层接结三维机织物即角联锁织物，是三维织物的重要组成部分，其特点是部分经纱沿与织物的厚度方向呈一定角度的方向配置。 分层接结三维碳纤维预制体在碳纤维束与束之间形成整体结构，使材料显示出较强的整体性，具有更好的承载能力和高耐冲击性能，不易破裂与剥离等特点，克服了短切纤维和二维碳布增强预制体结构强度低的缺点，作为摩擦衬层材料在苛刻工况条件具有广阔的应用前景。

本文选用2种分层接结三维机织物作为增强体(深交联和浅交弯联)，制备出2种摩擦材料并采用短切纤维作为对照实验组，测试了3种材料的摩擦磨损性能，以期为摩擦材料预制体的制备提供参考。

1 实验部分

1.1样品制备

根据实验条件采用东邦UTS50-12K碳纤维为原料。以浅交弯联和深交联为结构，分别设计出2种4层的分层接结三维织物(纤维体积分数为40%)。

基体成分主要包括改性酚醛树脂、增磨剂、减磨剂等。添加体积分数约为40%的稀释剂无水乙醇，制备出均匀分散的基体胶液。

进行真空复合热压制成深交联结构碳纤维增强酚醛树脂基摩擦材料(用SM表示)、浅交弯联结构碳纤维增强酚醛树脂基摩擦材料(用QM表示)，并以短切碳纤维增强酚醛树脂基摩擦材料(用DM表示，纤维体积分数为40%)作为对照实验样品。

1.2 性能测试与表征

1.2.1 摩擦性能

本文研究采用UMT-3型多功能微摩擦磨损测试仪测试C/PR复合材料的摩擦磨损性能，如图1所示。试样尺寸为25 mm×25 mm×4 mm，将试样牢固黏结在25 mm×25 mm×15 mm的钢背上。用电子天平(精度0.000 1g )测量质量磨损。采用UMT-3型微动摩擦磨损试验机考察深交联、浅交弯联、短切纤维C/PR复合材料的基本摩擦磨损性能，实验条件：销对偶往复速度为400次，载荷为80 N，测试时间为60 min，滑动距离为15 mm。对偶件是头端球径为9.5 mm、硬度为HRC62的铬钢球。测试过程中，销对偶往复运动方向为预制体经轴向方向。每组测试样品3个。

图1 往复运动微摩擦实验示意图Fig.1 Schematic diagram of reciprocating motion micro friction experimental

1.2.2 磨粒磨屑形貌

摩擦磨损测试完成后，清理并收集试样表面的磨粒磨屑，运用日本HIROX公司生产的KH-7700三维视频显微镜观察材料摩擦磨损表面形貌。将磨粒磨屑置于样品台上，表面喷金，采用日本日立公司生产的S-4800型(加速电压1.0 kV)扫描电子显微镜观察磨粒磨屑形貌并研究材料的摩擦磨损机制。

2 结果与分析

2.1 C/PR复合材料的摩擦磨损性能

表1示出不同复合材料在相同载荷与速度条件下的平均摩擦因数和平均质量磨损。从表中可看出，深交联C/PR复合材料具有最小的质量磨损和摩擦因数。短切纤维C/PR复合材料的磨损最高摩擦因数最高。浅交弯联C/PR复合材料的摩擦因数和磨损质量则居中。碳纤维体积分数为40%的DM、QM、SM 3种C/PR复合材料的摩擦因数曲线如图2所示。

表1 不同C/PR复合材料摩擦磨损性能测试结果Tab.1 Friction and wear performance test results of different C/PR friction materials

图2 不同结构C/PR复合材料的摩擦曲线Fig.2 Friction coefficient curve of different C/PR friction materials

图3 不同C/PR复合材料与销对偶摩擦后的磨粒磨屑形貌SEM照片(×500)Fig.3 Abrasive wear debris morphology SEM images of different C/PR friction materials(×500)

在相同碳纤维含量和测试条件下，3种复合材料的摩擦因数均呈现先增大后减小而后平稳变化的趋势。在测试初始阶段，材料与对偶件磨合，接触面积增大，摩擦因数提高；随着摩擦次数增加，摩擦因数曲线由磨合初期阶段的最高点后略有降低，这可能归因于摩擦产生的磨粒磨屑填充到摩擦表面凹坑处形成摩擦膜，使得摩擦因数降低，摩擦因数的变化与摩擦表面形态和温度变化有关。从图中还可看出，随着摩擦次数继续增加，SM的摩擦曲线平稳，DM的曲线是下降后有一个明显的上升再趋于平缓。QM的摩擦曲线则非常平缓地上升。3条曲线均在初始阶段下降这归因于摩擦膜生长，磨合过程平稳，摩擦因数曲线的变化趋于平稳，但是在最后DM的曲线有明显的上升而QM的有一个明显的下降区域。

不同增强体结构的复合材料与销对偶摩擦后的磨粒磨屑形貌SEM照片，如图3所示。对比3种复合材料的磨粒磨屑形貌，SM中纤维碎屑较少，片状基体较多；QM中纤维碎屑较多，基体碎屑多呈粒状或小块状分布；DM中纤维碎屑明显较多，形状不规则的基体碎片较多。由于DM、QM中分布较多的Z取向纤维束，不规则形状的磨粒磨屑较多，其磨损过程消耗更多的摩擦功，使得平稳摩擦阶段摩擦因数增大。

由于往复式摩擦实验中，材料的质量磨损比较少，只能一定程度上粗略反映其磨损性能。为了研究材料组分和结构形式对复合材料磨损性能的影响，采用SEM观测不同复合材料摩擦后摩擦表面形貌，如图4所示。由图可知，SM摩擦表面最为平坦，可看到较为清晰的大块，但并不是连续的平整摩擦膜。而DM并没有形成大块连续的摩擦膜，但是摩擦表面较为平整有形成摩擦膜的趋势，周围存在一定的磨屑颗粒。QM表面最不平整，表面存在较大的凹陷和大量的磨屑及裸露出的碳纤维。由此可知，磨屑并不能很好地填充表面的凹坑。通过三维视频显微镜观测，测量其摩擦后摩擦表面的大小和凹坑深度来表征其磨损，实验结果如图5和表2所示。

图4 不同结构的C/PR复合材料的摩擦表面形貌SEM照片(×1 000)Fig.4 Friction surface SEM images of different C/PR friction materials(×1 000)

图5 不同结构C/PR复合材料的摩擦表面三维形貌图(×30)Fig.5 Friction surface three-dimensional topography of different C/PR friction materials(×30)

材料编号线性磨损深度/μmQM174.784SM136.963DM369.297

DM的表面摩擦最深，宽度大，磨损最严重；QM次之；SM的表面大深度最浅，较为平整且宽度小，其磨损最小。SM和QM的摩擦膜厚度远远小于DM摩擦膜厚度。这是因为在材料组分和制备方法相同的情况下，碳纤维的分布状态直接影响到复合材料的磨损性能。

2.2 C/PR复合材料的摩擦磨损机制

2.2.1 摩擦机制

对DM、QM、SM 3种复合材料的往复摩擦磨损性能及摩擦后摩擦表面和磨屑的研究表明，复合材料的摩擦是不同分布状态的纤维剪断与形变、摩擦表面微凸体犁刮作用以及平滑表面的黏着3种主要因素综合作用的结果，而不同的预制体结构通过影响这3个主要因素来影响复合材料的摩擦性能。2.2.1.1 预制体结构对纤维剪断及形变的影响 碳纤维增强体结构形式不仅影响着C/PR复合材料的力学性能，而且对磨粒的产生以及摩擦膜的成分与结构产生重要影响[11-12]。复合材料预制体中的碳纤维存在2种排布形态：X取向，纤维束平行于摩擦面；Z取向，包括垂直于摩擦面的Z1以及与摩擦面成一定角度的Z2纤维束。在摩擦过程中，X取向纤维束平行排布在摩擦表面，纤维侧面受力微凸体较小，细小碎屑填充在凹坑中形成摩擦膜，所承受摩擦力受力面积大且作用缓和。Z1取向纤维束端面朝上，发挥类似“铆钉”的作用有利于维持摩擦表面组织结构稳定，在摩擦力作用下，Z1纤维束端面磨损尖化，其切削断裂吸收并消耗大量摩擦功，同时产生不规则碎屑，有利于提高材料的摩擦因数。Z2取向纤维束与摩擦面成一定角度分布，在外加载荷作用下，既受到磨粒磨屑的犁沟和切削，又承受弯曲作用，导致纤维脱落、断裂或剪切，这种作用形式需要的能量大于X向纤维，对提高材料摩擦因数贡献较大。在本文实验中，DM中短切碳纤维杂乱分布，Z取向纤维最多且纤维较短，在摩擦力作用下纤维容易脱落；深交联结构中Z取向纤维多于浅交弯联结构，碳纤维长丝的有序排布和良好的伸直性有利于减小 SM的磨损。另外根据结构力学：相较于以杂乱短切纤维增强的DM，QM、SM具有的分层接结三维结构预制体的三维网络结构赋予材料优异的结构整体性和力学强度，减少了纤维的脱落、剥离和拔出，摩擦面较为平整。DM由于碳纤维分布的离散性大，结构缺陷多，外加载荷作用下破环变形严重，纤维长度仅为3 mm，在摩擦力作用下很容易抽拔、剥离而转移到摩擦膜中，较大的碎屑加剧了材料的磨损(见表1)。

2.2.1.2 预制体结构对摩擦表面微凸体的影响 软质材料和硬质材料相互摩擦过程中，硬质点的粗糙峰嵌入软质点后，在滑动中推挤软质点，使之塑性流动并犁出一条沟槽，即犁沟效应。在C/PR复合材料中，碳纤维、鳞片石墨及酚醛树脂的硬度较低，在与硬质对偶件往复摩擦时，对偶件表面微凸体会对C/PR复合材料表面产生犁沟效应；同时Al2O3、BaSO4等硬质填料在摩擦过程中脱落形成的磨粒也会对复合材料表面产生犁刮作用。在复合材料组分和配方比例相同的情况下，复合材料的预制体结构使纱线以织物的形式存在于复合材料，预制体力学强度高，在摩擦过程中硬质对偶件会减弱对复合材料的剪切破损作用，并且碳纤维碎屑和填料磨粒减少，复合材料表面越易形成摩擦膜。QM和SM复合材料的预制体力学强度较高，在摩擦过程中QM和SM复合材料表面的犁刮效应并不明显(如图4所示)。另外由于复合材料预制体结构不同，会在一定程度上影响填料的分布。DM复合材料中，碳纤维与填料(如Al2O3、BaSO4)是均匀分布；而在QM和SM复合材料中，填料不容易附着在预制体的表面屈曲纱线上(以QM复合材料预制体截面为例，如图6所示，A位置不容易附着，而比较容易附着在B位置)。在摩擦过程中，QM和SM复合材料中的硬质填料附着在复合材料预制体B位置，由于受到纤维的包缠，在摩擦过程中不易从复合材料表面上剥离，从而使其表面比DM复合材料表面平整(如图4所示)。

图6 QM复合材料预制体界面图Fig.6 Cross section of curved shallow crossing linking woven(QM)

2.2.1.3 预制体结构对黏着摩擦的影响 在摩擦过程中接触点会产生瞬时高温，因而使摩擦材料表面和对偶件的硬质金属产生黏着，黏着结点具有很强的黏着力。随后在摩擦力的作用下，黏着结点被剪切而产生滑动。这样，其摩擦形式为黏着点的形成和剪切交替发生的过程[13-14]。材料摩擦因数的变化与摩擦膜的生长、变形和破坏有重要关联。C/PR复合材料在摩擦过程中，随着往复摩擦次数的增加，微凸体摩擦过程产生的由纤维、树脂和填料组成的磨粒磨屑填充在摩擦表面孔隙，形成摩擦膜。随着摩擦过程继续进行，摩擦膜中的树脂等软质材料由于受到高温和外加载荷作用发生黏着，并形成黏着点。黏着点逐渐在剪切力作用下被切断，导致摩擦膜的形变与破坏并从摩擦表面剥离。DM复合材料摩擦过程中含有碎屑较多，所形成的摩擦膜厚度较高，会使摩擦膜的树脂含量增加。在发生黏着效应时，摩擦膜表面由于树脂的转移会发生较为严重的破坏。随着新的磨屑的填入和摩擦过程的继续又会形成新的摩擦膜，摩擦膜的不断破坏和形成的过程会持续发生在DM复合材料摩擦过程中，造成摩擦因数不稳定(如图2中DM曲线)。SM和QM复合材料预制体有良好的结构稳定性和力学强度，并且由于其预制体结构使得其磨粒磨屑相对DM复合材料较小。SM和QM复合材料在摩擦中所形成的摩擦膜树脂含量较少，在发生黏着摩擦时，只产生轻微黏着磨损，磨损很轻，树脂的迁移也不显著，所以SM和QM复合材料摩擦面较为平整，摩擦因数稳定(如图2中的QM和SM曲线及图4所示)。

2.2.2 磨损机制

C/PR摩擦材料的磨损是与摩擦过程同时产生的，根据材料磨损特征和机制的差异常将材料磨损分为4类：黏着磨损、磨粒磨损、腐蚀磨损和疲劳磨损。在材料摩擦磨损破坏过程中，几种磨损机制常同时存在，只是在磨损过程的不同阶段主次不同。由于材料结构形式的差异，3种C/PR复合材料同时存在几类磨损，但主要以磨粒磨损为主。当Z取向碳纤维束增加，会提高磨粒磨损和疲劳磨损的权重。基体混合物含量、材料力学强度对黏着磨损有重要影响。而外加载荷、摩擦速度等工况条件影响着腐蚀磨损和疲劳磨损。本文选用的3种预制体结构，SM和QM力学强度高，结构稳定性好，而且在Z取向的碳纤维束要明显少于DM碳纤维复合材料。另外由于填料在SM和QM结构中，其并不容易附着在预制体表面的屈曲经纱A位置上(见图6)，也会在一定程度上影响复合材料的磨损性能，所以在相同的测试条件下SM和QM摩擦膜较为完整平滑，磨粒磨损的比重均小于DM(见表1)。但是SM和QM复合材料在摩擦中也不能形成高强度光滑的摩擦膜，所以还是会以磨粒磨损为主，伴随着黏着磨损和疲劳磨损。DM复合材料同样在摩擦过程中以磨粒磨损为主，伴随着黏着磨损和疲劳磨损。

3 结 论

本文研究增强体结构形式对碳纤维/酚醛树脂基复合材料摩擦磨损性能的影响，探究分层接法三维结构碳纤维机织预制体增强复合材料的摩擦磨损机制，得到如下结论。

1)3种增强体结构形式的复合材料的摩擦因数均出现先增大后减小的现象。不同增强体结构复合材料摩擦因数的大小关系为：短切纤维>浅交弯联>深交联；摩擦表面深度程度表现为：短切纤维>浅交弯联>深交联，分层接结三维结构机织预制体增强复合材料具有较平稳的摩擦过程和较小的磨损率。

2)2种分层接结三维结构预制体增强复合材料的摩擦机制相同，即摩擦因数是由不同分布状态的纤维剪断与形变、磨粒磨屑和摩擦表面微凸体犁刮作用以及平滑表面的黏着3种因素综合作用的结果。材料摩擦因数的变化与摩擦膜的生长、变形和破坏有重要关联。

3)分层接结三维结构预制体增强复合材料磨损机制相同，均以磨粒磨损为主，伴随着黏着磨损和疲劳磨损。

FZXB

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Friction and wear properties of stratified 3-D woven carbon fiber preform reinforced phenolic resin-based composites

LONG Xiang1,2, LU Xuefeng1,2, ZHANG Jianmin1,2, LÜ Kaiming1,2, QIAN Kun1,2

(1.KeyLaboratoryofEco-Textiles(JiangnanUniversity),MinistryofEducation,JiangnanUniversity,Wuxi,Jiangsu214122,China; 2.CollegeofTextileandClothing,JiangnanUniversity,Wuxi,Jiangsu214122,China)

In order to overcome shortcoming of the shorter fiber and two-dimensional carbon fabric reinforced perform on low structure strength, the paper designed and prepared the deep crossing linking woven and the curved shallow crossing linking woven carbon fabric reinforced phenolic resin composites. And the shorter carbon fiber reinforced phenolic resin composites was prepared under the same conditions as the controlled trial. The friction and wear properties of the carbon fiber/phenolic resin(C/PR)composites were tested and the three kinds of worn surfaces were observed. The results showed that: the friction coefficient and the wear rate of the shorter fiber composite were the highest; the curved shallow crossing linking woven C/PR composite has the lowest friction coefficient and the wear rate; and shallow curved cross-linking is in the middle. The three dimensional woven structure of layered joint has excellent mechanical properties and integrity of the composite material and can reduce wear dust and wear loss of the composite in the friction process, and keeps stable friction coefficient, so that the composite has good frictional properties.

carbon fiber/phenolic resin composite; three dimensional woven structure of layered joint; friction property; wear rate

10.13475/j.fzxb.20161000607

2016-10-04

2016-11-18

获奖项目：该文荣获2016中国纺织工程学会颁发的第17届陈维稷优秀论文奖

江苏省产学研联合创新资金-前瞻性联合研究项目(BY2014023-15，BY2015019-33)；中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(JUSRP41501，JUSRP51505)；江苏高校优势学科建设工程资助项目(苏政办发〔2011〕6号)；江苏省研究生培养创新工程项目(KYLX15_1182)

龙祥(1990—)，男，硕士生。主要研究方向为纺织复合材料的制备及性能。卢雪峰，通信作者，E-mail：sandylxf@tom.com。

TQ 342

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