镀铜碳/二氧化硅颗粒对铁基复合材料摩擦学行为的影响

汤玉超，王棒棒，马 丽，朱民豪，马 超，胡恩柱，朱仁发，胡坤宏

（1.合肥学院生物与环境工程系，安徽 合肥 230601；2.合肥工业大学机械学院，安徽 合肥 230009）

我国作为农业大国，粮食产量大，农业废弃物丰富。水稻是我国粮食的主要品种，根据国家统计局2016年公布，水稻产量约占粮食总产量的36.6%，高达20693.4万吨。稻壳质量约为水稻的20%，计算得出产生稻壳约4138.68万吨。稻壳表面坚硬，硅含量高[1]，牲畜很难消化，农民一般不作为食料，主要作为燃料使用，但其直接燃烧会产生大量烟雾，严重污染空气，对交通和人们的呼吸道等都产生严重危害。稻壳不宜堆放，运输成本高[2]，对其进行及时有效处理，最大资源化利用是非常具有研究意义的课题。

机械运动工程所引起的高温是致使材料磨损失效的关键因素之一，因此对耐高温复合材料的开发提出了更高的要求。其中，在传统的复合材料加工过程中，引入耐高温材料是开发高性能复合材料的途径之一。由稻壳粉制备的CS颗粒具有耐高温的特性，表面镀覆一层铜颗粒，可进一步提升其摩擦学特性。摩擦材料的开发从早期的金属和非金属发展到现在的合金以及碳元素与金属结合的复合材料，例如二氧化硅和铜的结合，有助于材料的抗磨耐磨性[3]。卢宏等[4]研究了不同粒度的二氧化硅和铜基的组合，通过摩擦因数和耐磨性的提高，来改善摩擦材料的摩擦磨损性能。二氧化硅和铜的结合对摩擦材料的耐磨抗磨有显著的增强作用。金属作为添加剂开发耐高温复合颗粒有多人开展了研究：沈洪娟等[5]研究了在铜基粉末冶金材料中添加铁颗粒，从而提高了复合材料的耐高温特性。高温下流体润滑作用对于金属复合材料表面的影响起到重要作用；还有肖汉宁等[6]研究高温下SiC温度、气氛和摩擦参数对SiC复合材料的摩擦磨损机理的影响，从而改善摩擦材料的耐磨性等性能。然而，对于稻壳碳/二氧化硅复合颗粒及其表面镀铜改性的研究较少。表面镀铜工艺成熟，有大量的文献报道，提高材料耐磨性的主要途径可进行表面强化[7-12]。合理地选用耐腐蚀材料，在材料表面涂覆防护层[13-14]，采用电化学保护可以提高材料的抗腐蚀能力。将改性的CS颗粒添加到铁基复合材料中，研究其高温摩擦学性能的研究较少，因此，本文研究的课题不仅可实现稻壳资源化利用，而且为开发耐高温轴承材料奠定了一定的理论基础。

1 实验部分

1.1 实验材料及仪器

稻壳粉（rice husk，RH，10目，原阳县宴宾米业有限公司）；热固性酚醛树脂（phenolic resin，PR，型号 2027，无锡市明洋粘结材料有限公司）；碳/二氧化硅复合颗粒制备过程：将稻壳粉和酚醛树脂按照质量比3∶1进行混合，转移一定量的混合物于坩埚中，在800℃下煅烧2h后冷却研磨成细粉，即为碳/二氧化硅复合颗粒（CS）；采用化学镀法实现颗粒表面镀铜CS，详细的过程见参考文献[15]；铁粉（300目，合肥金品化学科技有限公司）。

BSA124S型电子分析天平（赛多利科学仪器有限公司）；OTF-1200X型管式电炉（合肥科晶材料技术有限公司）；YLJ-60T型电动压片机（合肥科晶材料技术有限公司）；GHT-1000型高温真空摩擦磨损仪器（兰州中科凯华科技开发有限公司）；HR TEM高倍透射电镜（日本日立）。

1.2 铁基复合材料的制备

以Cu-CS（图1）颗粒为添加剂，7wt%的酚醛树脂为粘结剂，探究添加量0wt%、1wt%、3wt%、5wt%、7wt%和10wt%的Cu-CS颗粒于一定量的铁粉中，之后取一定量的已经混合均匀的混合物于磨具中，在压力30MPa压制成型，再移入管式炉中氮气保护，高温煅烧2h，获得铁基复合材料成品，见图1。

图1 Cu-CS和Cu-CS样品的制备Fig.1 Cu-CS and Preparation of Cu-CS samples

图2 高温真空摩擦磨损仪器工作原理图Fig.2 High temperature and high vacuum friction and wear tribometer

1.3 高温真空摩擦实验

在高温真空摩擦试验机上研究不同添加量的CS颗粒对铁基复合材料的摩擦学特性。实验条件为真空下高温800℃，载荷为500N，转速为450r/min，摩擦试验时间为30min。实验前，对材料表面进行抛光处理，磨件为陶瓷球（Si3N4），直径为5mm。陶瓷球需超声15min，下试样用无水乙醇擦拭干净。试验机摩擦副结构及其工作原理见图2。

2 结果与讨论

2.1 复合材料的减摩和抗磨特性

图3为添加不同量Cu-CS颗粒的铁基复合材料的摩擦系数和磨损率的变化。其中图3（a）表明，在铁基复合材料中加入镀铜的碳/二氧化硅复合材料后摩擦系数明显降低，且当添加量为3wt%和5wt%时，摩擦系数最低，说明镀铜碳/二氧化硅复合材料可明显提高铁基复合材料的减摩性。图3（b）表明，添加镀铜的碳/二氧化硅复合颗粒，材料的抗磨性能得到改善，当添加量为5wt%和7wt%时，材料的抗磨特性明显改善。总之，镀铜碳/二氧化硅复合颗粒可明显提高铁基复合材料的减摩和耐磨特性，且最佳添加量为5wt%的镀铜复合颗粒。

2.2 磨损表面形貌分析

图4中Cu-CS颗粒的铁基复合材料中不同Cu-CS添加量的磨痕区域，随着镀铜复合颗粒含量的增加，磨痕明显变化，1wt%和5wt%的磨痕比较小。从图5不同添加量的磨损面积可以发现，镀铜复合颗粒，添加量为7wt%，磨损面积最大为634205μm2；当添加量为1wt%和5 wt%时磨损面积较小。这是由于随着镀铜颗粒添加量的增加，陶瓷球与Cu-CS颗粒的铁基复合材料中铜颗粒接触到的可能性越大，其镀铜复合颗粒的减摩效果越好。

图3 高温真空条件下的摩擦系数和磨损量Fig.3 Friction coefficient and wear rate in high temperature vacuum

图4 铁基复合材料中不同Cu-CS添加量的磨痕表面形貌Fig.4 Wear surface morphology of iron-based composites in different Cu-CS additions

摩擦形式由滑动摩擦转换为滚滑摩擦。在EDS中对于图6中的5wt%Cu-CS铁基磨痕区域和未磨区域进行面扫，发现磨痕区域铜的质量含量增加了0.4%，这是由于摩擦过程中胚体表面经过滚滑摩擦，将胚体内CS复合颗粒表面的铜颗粒显露出来，随着碳/二氧化硅质量含量的增加，磨损面积逐渐减少。在图4中磨痕区域3wt%的3182μm减小到5wt%的1827μm，在图5中的磨痕面积也由3wt%的261098μm2减少到5wt%的87607μm2，Cu-CS复合颗粒起到减摩作用，耐磨性得到提高。

总的来说，从稻壳资源化利用角度考虑，铁基复合材料中添加镀铜碳/二氧化硅复合材料的最佳含量为5wt%。

图5 铁基复合材料中不同Cu-CS添加量的磨痕面积Fig.5 Wear trace area of Cu-CS addition in iron-based composites

图6 高温真空下5w t%复合材料的SEM图Fig.6 SEM image of 5w t%composite under high temperature and high vacuum

根据早期试验探索得出：镀铜碳/二氧化硅复合材料颗粒主要成分是无定形碳和二氧化硅颗粒。在碳/二氧化硅复合材料表面镀铜，也促进了复合颗粒在高温真空下球盘摩擦过程中磨屑的剥落，且磨屑比较大。由于高温材料表面软化，上试样陶瓷球无磨斑形成，球盘以滚动接触摩擦的形式进行摩擦。在图6（a）中可以发现，磨痕比较光滑。摩擦机理主要以黏着磨损的形式存在。

3 结论

（1）镀铜碳/二氧化硅颗粒可提高铁基复合材料的减摩和耐磨特性。高温真空下，添加5wt%Cu-CS颗粒复合材料的摩擦系数和磨损率均最低。

（2）高温真空条件下，添加Cu-CS颗粒的铁基复合材料与陶瓷球摩擦行为从滑动摩擦转化成滚滑摩擦，磨损机理以黏着磨损为主。

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