基于钛碳化铝复合材料的体育器材摩擦磨损性能分析

李扬 洪剑 董军 李享

摘要：体育器材在使用过程中容易受到不同程度的摩擦磨损，从而导致器材的使用寿命变短。所以为了增强体育器材的抗磨损性能，文章通过实验研究的方式对钛碳化铝复合材料的摩擦磨损性能进行分析。实验结果表明，钛碳化铝复合材料摩擦磨损性能服从微凸体干涉机制，并且当滑动速度不断增加时，材料摩擦表明会形成一种氧化物薄膜，具有降低材料摩擦阻力的作用，且滑动速度越大，该氧化物薄膜的覆盖就会越大、越均匀，更有利于降低摩擦阻力;另外，法向荷载也会对影响材料性能，当其不断增加时，材料的摩擦系数就会随之不断降低。总之，钛碳化铝复合材料具有较好的抗摩擦磨损作用，能够在体育器材中具有较好的使用效果。

关键词：钛碳化铝复合材料;体育器材;摩擦磨损

中图分类号：TQ050.4⁺8 文献标识码：A 文章编号：1001-5922（2021）02-0071-05

随着人类对体育运动的重视程度不断提高，越来越多的人开始进行体育运动，从而带动了体育器材的快速发展。由于材料对体育器材的性能起决定性作用，传统的体育器材的抗击强度弱、抗腐蚀差、耐摩擦性不好等，导致体育器材的使用寿命比较短，并且会降低体育器材的性能和使用效果。于是人类不断研制性能更好的材料用于体育器材中，如今复合材料已经在体育器材中发挥重要且广泛的作用，提高了体育器材的综合性能。钛碳化铝复合材料作为一种性能较好的材料，具有较高的强度、抗破坏机制好、抗氧化性能好，而且还具有很好的抗摩擦性能。由于体育器材的用途和使用环境，容易受到各种摩擦，从而影响到体育器材的外观、使用效果和性能，所以将钛碳化铝复合材料用到体育器材中能够提高器材的使用寿命。文章将以钛碳化铝复合材料为研究对象，通过实验研究的方式对其摩擦磨损性能进行分析。

1实验材料、仪器和方案

1.1实验材料和仪器

实验所需要的材料就是钛碳化铝复合材料块，该块状物体的长宽高分别为10mm、10mm、12mm。

实验所需的仪器有扫描电子显微镜、精密电子天平秤、能谱分析仪、X-射线衍射仪等。

1.2实验方案

文章对钛碳化铝复合材料摩擦学特性进行研究，然后还会研究速度、法向荷载等因素对钛碳化铝复合材料摩擦磨损的影响。实验是在室温环境下进行，对试样进行摩擦磨损实验的状况为干摩擦状况。实验中设计的法向压强范围为0.2-0.6MPa，设计的摩擦滑动速度范围为20～30m/s。然后通过计算机系统自动检测摩擦系数，为了得到更为精确的结果，进行三次实验然后取其平均值作为结果。使用精密电子天平秤计算试样的质量损失，每一个试样的摩擦时间为2min。当需要对荷载进行改变时需要对试样预磨2min，此做法的目的在于降低摩擦不稳定因素。另外，试样在摩擦过程中会产生温度升高情况，会影响到实验结果，于是为了降低其影响，当每次完成实验之后，需要将摩擦副自然散热。摩擦磨损实验过程中的各种数据结果会在Pc机上进行实时显示和存储，然后还会使用Origin软件对数据进行处理。实验中将会使用扫描电子显微镜对试样摩擦面形貌进行观察分析，通过使用X-射线衍射仪对试样磨损面物相组成进行分析，通过使用配套的能谱分析仪对试样摩擦表面的元素成分进行分析。

2钛碳化铝复合材料的摩擦磨损特性

试样在进行连续滑动摩擦过程中，虽然其中滑动速度保持不变，但是该行为是很不稳定，主要表现在摩擦系数出现紊乱波动的状况。因为在摩擦过程中，摩擦面受到的摩擦状况因为各种因素导致其存在不均衡现象，于是摩擦产生的热力也会出现不均匀现象，就会存在失稳现象。而且在摩擦过程中，整个试样的元素、电能、化学能和光能等都会发生相互转化，于是就会打乱试样的平衡，然后出现磨损状况。

2.1摩擦的微凸体理论

任何—个物质表面经过加工之后，即使其加工非常的精细化，但是其表面也会是粗糙不平的，表面有很多的微凸峰和凹谷，将其称作为微凸体。在干摩擦状态下，影响钛碳化铝复合材料的摩擦磨损主要因素在于表面几何特征。另外，法向荷载和滑行速度也会影响摩擦磨损，其影响是通过改变接触面微凸体的性质。摩擦接触面上微凸体相互干涉示意图如图1所示。

摩擦表面上微凸体的高度服从正态分布，于是其高度概率密度p（z）的表达式如下所示：

该公式为标准正太分布，pn（z）表示的是概率密度函数，即微凸体不同高度出现的概率。

有研究表明，物体表面因为凸凹不平，所以在摩擦过程中两个接触面的实际面积占比非常小。所以物体之间的摩擦力实际上只与接触面微凸体相关。有学者对摩擦面的实际接触状况进行过研究，其结果表面物体在摩擦过程中一对微凸体不是同时发生破坏，而是逐个发生破坏，一对微凸体指的是两个摩擦面上相互接触的微凸体。

2.2摩擦系数的随机波动性

钛碳化铝复合材料之间摩擦时主要是微凸体接触偶对的破坏，这种破坏是基于链式反应模型，最先开始找到破坏的偶对就是最为薄弱的偶对，并且具有随机性。于是就会导致钛碳化铝复合材料摩擦力具有随机性，最终就会导致摩擦系数大小具有随机波动的性质。

图2即为瞬时摩擦系数曲线，此时的法向荷载为0.2MPa，滑动速度为30m/s。从图中可以看出，摩擦系数围绕某一个数值进行上下波动，而且其上下波动状态属于随机性。出现这种现象的主要原因在于微凸体干涉機制有关。通过频率统计，得到如图3所示的频率统计直方图，该图正好与图2的摩擦系数相对应。图3的结果表明钛碳化铝复合材料摩擦系数具有随机波动性，并且其波动符合正态分布。

3影响钛碳化铝复合材料摩擦磨损性能的因素

3.1滑动速度

滑动速度作为影响摩擦系数非常重要的因素之一，于是文章保持法向压强不变，然后研究滑动速度对钛碳化铝复合材料摩擦磨损性能的影响。结果如图4所示，从图中可以看出，当法向荷载为0.2MPa时，滑动速度不断增加，最终增加到30m/s，钛碳化铝复合材料的磨损率不断增加，且为1.77x10^-6mm³/N·M，大致增加了0.41x10^-6mm³/N·M。当法向荷载不断增加，即为0.4MPa和0.6MPa时，摩损率的变化趋势为不断下降，所以当滑动速度为30m/s，这两种法向荷载下的磨损率最低。

当法向压强保持不变时，滑动速度对钛碳化铝复合材料摩擦系数的影响如图5所示，从图中可以看出，当法向荷载为0.2MPa时，滑动速度不断增加时，摩擦系数不断降低，且当速度为30m/s时，摩擦系数降低到0.19，降低了0.09，当荷载不断增加时，即为0.4MPa时，其摩擦系数也在不断降低，即速度为30m/s，其摩擦系数最小;当法向荷载为0.6MPa时，摩擦系数处于不断上升状态，当滑动速度为30m/s时，其摩擦系数处于最大值。

通过上述分析滑动速度对钛碳化铝复合材料磨损率和摩擦系数的影响可知，大体匕是当滑动速度不断增加时，摩擦系数和磨损率的变化趋势为不断降低状态，于是说明钛碳化铝复合材料在比较快的速度摩擦情况下，具有比较好的摩擦磨损性能。有研究表明，钛碳化铝复合材料在摩擦过程中，摩擦面会生成一种氧化物薄膜，从而达到减低摩擦的损失，于是就会降低摩擦系数。当摩擦速度不断提高时，这种氧化物的生产速度将会更快，于是就会达到比较明显的减膜效果。但是是否会形成这种氧化物薄膜还需要进一步证实。

3.2法向荷载

法向荷载也是影响钛碳化铝复合材料摩擦磨损性能的重要因素。于是文章将对该因素进行实验研究，法向荷载对钛碳化铝复合材料磨损率的影响结果如图6所示。从图中可以看出，当滑动速度保持不变，法向荷载不断增加时，磨损率的变化趋势是先降低后增加;当速度为20m/s，法向荷载为0.6MPa时，磨损率增加到2.32×10^-6mm³/N·M，增加了0.96x10^-6mm3/N·M，其增加幅度是比较小的;当法向荷载为0.6MPa时，速度快的具有更低的磨损率。

图7为法向荷载对摩擦系数的影响结果。从图中可以看出，当速度为20m/s时，随着法向荷载的不断增加，摩擦系数的变化趋势为不断降低，当法向荷载为0.6MPa时，摩擦系数降低到0.17，降低了0.08;当速度为30m/s时，随着法向荷载的不断增加，摩擦系数先降低后小幅度提高，于是在法向荷载为0.4MPa时，摩擦系数最小，但是与法向荷载为0.6MPa时的摩擦系数相差很小。

4钛碳化铝复合材料磨损面的状态分析

通过上述分析之后能够了解到滑动速度对材料的摩擦磨损性能影响比较大，而法向压强也具有一定的影响，但是没有滑动速度影响大。上述结论表明当滑动速度增加时，材料的磨损率和摩擦系数呈现降低的趋势，即材料具有更好的摩擦性能。

图8为不同滑动速度下材料磨损面形貌的SEM观察图，从图中可以观察到，当滑动速度不同时，摩擦面会形成不同形貌的薄膜，当速度不断增加时，其薄膜的覆盖率就会增加，并且均匀性也会增加。

当滑动速度为30m/s时，薄膜成分的EDS分析结果如图9所示，表1即为钛碳化铝复合材料磨损面的元素比例图。从图9和表1中可以看出，摩擦面所产生的薄膜主要包含的元素有O、AI、Ti，另外，还存在少量的Sn和C，于是可以判斷经过摩擦之后的钛碳化铝复合材料表面形成的氧化物薄膜主要的组成成为有A1、Ti和Sn。

5结语

通过上述实验表明，钛碳化铝复合材料在高速摩擦情况下具有较好的抗摩擦磨损性能，因为在滑动速度较大的情况下，材料摩擦面会形成摩擦氧化物薄膜，且当速度越大时，该薄膜越多、越均匀，这种薄膜能够能够降低钛碳化铝复合材料的摩擦阻力，于是将其应用到体育器材中，能够大大提高体育器材的耐摩擦性能，于是有助于提高器材的使用寿命。