碳纤维复合材料摩擦性能试验研究

彭 赫,张锦光,叶梦勇

(武汉理工大学 机电工程学院，湖北 武汉 430070)

碳纤维是高性能纤维中比强度和比模量最高的纤维，在强度高于钢铁材料数倍的情况下，质量却不到钢材的1/2，具有优异的力学性能。碳纤维一般不是单独使用，而是以增强材料的形式与树脂材料结合成为复合材料。复合材料中碳纤维发挥其优异的机械性能承担载荷，树脂主要起粘接作用，以上特点使得碳纤维增强复合材料(carbon fiber reinforced plastic,CFRP)在汽车工业、航天航空、高速轨道领域得到广泛应用[1-4]。在一些特定的应用领域，如水润滑轴承[5]，自行车刹车片[6]，受电弓滑板[7]等对其材料的耐磨性有着一定的要求,这对碳纤维复合材料提出了新的要求。目前碳纤维复合材料的摩擦性能研究多集中在短切纤维与碳纤维粉末作为增强相的复合材料中，这与上述领域中所应用的连续碳纤维复合材料有所不同。因此，有必要对目前市面上生产数量最多的碳纤维增强环氧树脂复合材料摩擦性能进行研究，探究其在各种条件下的摩擦性能表现。

1 试验研究

1.1 试验材料及设备

试验材料为某公司生产的碳纤维增强环氧树脂材料,通过预浸料热压罐成型工艺制备。预浸布型号为FAW200RC36，材料性能参数如表1所示，单层厚度为0.2 mm，其中树脂的体积比为36%，铺层角度为±45°其中，E1为纵向弹性模型；E2为横向弹性模性；G12为剪切模型；v12为泊松比；Xt为纵向拉伸强度；Xc为纵向压缩强度；Yt为横向拉伸强度；Yc为横向压缩强度；S为层间剪切强度。预浸料的树脂型号为YPH-42T，其性能参数如表2所示。

表1 FAW200RC36预浸料性能参数

表2 YPH-42T环氧树脂性能参数

本次试验选用HT-1000型高温摩擦磨损试验机进行摩擦磨损试验，摩擦试验机基本工作原理为利用温度控制炉设定炉内温度，在载荷控制杆上加载试验所需载荷，电机驱动固定摩擦试样的旋转台转动，使其与对偶件(球或栓)进行摩擦。采用球-盘式摩擦副，设定摩擦半径为3 mm，测试时间为30 min。试样磨损体积通过表面轮廓仪测量轮廓曲线进行积分获得，试验设备如图1所示。

图1 试验仪器

1.2 试验方法和性能表征

正交试验设计(orthogonal experimental design)是研究多因素多水平的一种设计方法，具有高效率、快速、经济的特点，并广泛应用于制药，生物，机械等试验研究[8-9]。试验时采用球-盘配置的HT-1000高温摩擦磨损试验机测试，碳纤维复合材料试样尺寸为Φ26mm×10mm,对磨材料为直径6 mm的GCR15球，洛氏硬度达60～62 HRC。复合材料行业内多采用巴氏硬度，由巴氏硬度计测量10次取平均值，为65.4HBa。试样放置在摩擦试验机的旋转台上，由压片固定。转速通过旋转台控制，载荷通过上方对偶件施加。摩擦过程初期为复合材料表面树脂材料与对偶球对磨，随着摩擦进行，摩擦行为最终转变为树脂与碳纤维材料共同参与摩擦。考察载荷、转速和温度3个因素在3个水平上对摩擦性能的影响，因此选用的正交表为L9(34)。正交试验方案如表3所示，每个方案试验两次，测试时间均为30 min。摩擦系数通过高温摩擦试验机采集，采用表面轮廓仪对摩擦后的试样进行磨损体积探测，碳纤维复合材料的磨损率[10]为：

W=V/(S·F)

(1)

式中：W为磨损率；V为磨损体积；F为法向载荷；S为摩擦距离。

表3 正交试验方案

2 试验结果与分析

2.1 摩擦系数

对正交试验进行方差分析，取稳定磨损阶段时摩擦系数的平均值代入计算。表4为试验的方差结果表，采用F检验法来进行各因素对结果的显著性判断。将因素A的F与显著性水平α临界值Fα进行比较，若结果大于临界值则表明因素对结果有显著影响。对于一般的工程问题，α通常选为0.01～0.10[11]，本文选取α=0.05，查表得F(2,11)=3.98。观察方差分析表4可知，3个因素中，载荷与转速对摩擦系数作用显著，温度不太显著。由此可见在此摩擦情况下，载荷和转速是影响碳纤维复合材料摩擦系数的重要因素。因此在原有的基础上重新设计新的试验，重点研究载荷与转速对摩擦系数的具体影响。

表4 摩擦系数方差分析表

2.1.1 载荷对摩擦系数的影响

选取试验编号1,试验条件为载荷10 N,转速560 r/min,室温，并在不改变转速与温度条件下，增加载荷到20 N,对比观察载荷对摩擦系数的影响。不同载荷时的摩擦系数变化如图2所示。

图2 不同载荷下摩擦系数图

由图2可知，①当载荷较低时，碳纤维复合材料经过很短的磨合阶段后便进入了稳定磨损阶段，摩擦系数无下降趋势，但此时摩擦系数并不稳定，上下波动明显；②当载荷较高时，试件摩擦系数经过磨合阶段后有明显下降，下降到一定数值后趋于稳定。并且与低载荷相比，摩擦系数波动较小。③低载荷与高载荷相比，整体摩擦系数较高，即随着载荷增加，摩擦系数下降。

2.1.2 转速对摩擦系数的影响

选取试验编号4,试验条件为载荷15 N,转速560 r/min,温度60 ℃,在不改变载荷与温度条件下，改变转速到1 120 r/min，对比观察转速对摩擦系数的影响。不同转速时摩擦系数的变化曲线如图3所示。

图3 不同转速下摩擦系数图

由图3可知，①当转速较低时，摩擦系数迅速到达一较高值，此后摩擦系数虽然有所波动但整体趋于稳定，无上升或下滑趋势。②当转速较高时，摩擦系数跑合阶段的时间较低转速有明显的增加，约在8 min时结束，此时摩擦系数达到峰值。而后摩擦系数下降，约在20 min时进入稳定磨损阶段，此后摩擦系数波动小，整体趋于稳定。③高转速整体摩擦系数都低于低转速，即随着转速的提高，摩擦系数下降。

2.2 磨损率

采用相同的试验方法得到磨损率方差分析表，如表5所示。由表5可知，与摩擦系数不同，转速对于磨损率有着最显著的影响，同时温度作用显著程度上升，由此可见温度对于磨损率同样有着相当重要的影响。由于此前加做了对于载荷与转速的试验，因此只需要加做温度影响的试验。选取试验编号5，试验条件为载荷15 N,转速840 r/min,温度100 ℃，在不改变载荷与转速条件下，改变温度到室温，对比观察温度对磨损率的影响。

表5 磨损率方差分析表

2.2.1 载荷对磨损率的影响

不同载荷下的磨损率如图4所示。从图4可知，磨损率随着载荷的增大而上升，20 N相比10 N磨损率上升了26.1%。推断这主要是由于试样为预浸料铺放而成，预浸料中碳纤维束编织纹理的作用造成表面凹凸不平，对偶件与试样实际接触面积与表观接触面积有较大差异。当载荷较低时，对偶件钢球对试件压力较小，摩擦接触面积较小，表面的微观形态为数量较少的微凸体接触。由于粗糙度的差异，实际接触面积小于理论接触面积，接触多为弹性接触，故树脂塑性变形不大。摩擦过程中的剪切力较小，环氧树脂与少量暴露出来的碳纤维增强体共同承担剪切作用，因而磨损量较小。

图4 不同载荷下的磨损率

2.2.2 转速对磨损率的影响

不同转速下的磨损率如图5所示。从图5可知，随着转速的提升，磨损率增大，转速提升使磨损率上升了38.9%。转速对复合材料磨损率的影响主要在于转速不同时摩擦表面聚集的摩擦热不同。转速增大时，机械能转变成的摩擦热在摩擦表面快速聚集，由于树脂材料的导热性较差，使得摩擦表面温度很高，表面局部地区出现闪温。闪温的温度已经超过了环氧树脂的熔点。高温使得复合材料表面树脂熔融，从而使得抵抗变形能力减弱。

图5 不同转速下的磨损率

2.2.3 温度对磨损率的影响

不同温度下的磨损率如图6所示。从图6可知，磨损率随着温度上升而增加，100 ℃相较于室温磨损率上升了26.9%。推断原因是由于温度较高时，树脂与碳纤维热膨胀系数的差异会使得二者变形程度不同[12]，从而降低碳纤维与树脂的结合程度。另一方面100 ℃已经靠近环氧树脂的玻璃化温度[13]，环氧树脂玻璃化后分子链段运动加剧，树脂材料发生软化，流动性增强，造成复合材料的粘弹性程度增大，因此粘着磨损增多，磨损加剧。

图6 不同温度下的磨损率

3 结论

(1)在载荷、转速与温度3个因素中，载荷与转速对碳纤维复合材料摩擦系数影响显著，而温度作用不明显；三者均对磨损率有显著影响。

(2)随着载荷与转速的上升，碳纤维复合材料摩擦系数出现一定程度的下降；对磨损率而言，载荷、转速和温度三者的增大均会使磨损率增大。

(3)载荷对磨损率影响主要源自接触面积的增大，造成塑性变形增多；转速对磨损率的影响原因主要是试样表面热量的快速聚集，树脂出现软化熔融；温度对磨损率影响的原因是温度造成树脂机械性能下降，层间剪切强度降低。