成型工艺对树脂基摩擦材料及其摩擦学性能的影响

工程科学学报，第39卷.第8期：1182-1187,2017年8月 Chinese Journal of Engineering,Vol.39,No.8:1182-1187,August 2017 D0L:10.13374/j.issn2095-9389.2017.08.007;htp:/journals..usth.edu.cn 成型工艺对树脂基摩擦材料及其摩擦学性能的响 李辉)，杜建华)，王浩旭2)，吕莹莹》 1)装甲兵工程学院技术保障工程系，北京1000722)装甲兵工程学院科研部.北京100072 3)北京科技大学材料科学与工程学院，北京100083 ☒通信作者，E-mail:lihui881111@126.com 摘要以碳纤维2.5D浅交弯联结构为预制体，分别采用树脂传递成型工艺(RTM)和热压成型工艺(HPM)制备了碳纤维 增强酚醛树脂基摩擦材料.通过MS-T3001摩擦磨损试验机考核了材料的摩擦磨损性能，采用扫描电子显微镜、激光三维形 貌扫描仪观测了材料的磨损形貌，对比分析了两种成型工艺对材料摩擦学性能的影响.结果表明：随着滑动速度和工作载荷 的增大，材料的摩擦系数均减小.热压成型工艺成型摩擦材料的主要磨损形式为磨粒磨损，摩擦系数0.085~0.130，磨损率 1.5×10-8gN·m1.树脂传递成型工艺成型摩擦材料的主要磨损形式为黏着磨损和疲劳磨损，摩擦系数0.075-0.120， 磨损率7.5×10~8gN-1m1. 关键词树脂基摩擦材料：摩擦磨损：碳纤维：树脂传递成型：热压成型 分类号TB332.1 Effect of molding process on tribological characteristics of friction materials based on resin LI Hui),DU Jian-hua,WANG Hao-xu2,L0 Ying-ying 1)Department of Technique Support Engineering,Academy of Armored Force Engineering,Beijing 100072.China 2)Department of Science Research,Academy of Armored Force Engineering,Beijing 100072,China 3)School of Material Science and Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China Corresponding author,E-mail:lihui881111@126.com ABSTRACT Resin transfer molding (RTM)and hot-pressing molding (HPM)were used to prepare phenolic resin matrix compos- ites reinforced by carbon fiber.The tribological properties of the materials were tested using a MS-T3001-type friction and wear tester. A scanning electron microscopy and three-dimensional laser microscopy were used to analyze the superficial microstructure of the fric- tion materials.Furthermore,a comparative analysis was employed to investigate the influences on the tribological properties by two types of material-forming processes.Results indicate that the friction coefficient decreases with increased relative sliding speed and workload.For the RTM friction material,the main form of wear is adhesive wear and fatigue wear,the coefficient of friction is 0.075-0.120,and the wear rate is 7.5x10-g-N-.m.In contrast,for the HPM friction material,abrasive wear is the main form of wear,and the friction coefficient and wear rate are 0.085-0.130 and 1.5 x 10g-Nm,respectively. KEY WORDS resin matrix composite;friction and wear;carbon fiber;resin transfer molding;hot-pressing molding 碳纤维增强树脂基摩擦材料具有高而稳定的摩擦所采用的增强相主要为短切碳纤维[]、长纤维)或2D 系数、良好的耐磨性、优良的机械性能和低的摩擦噪 碳布织物[].关于碳纤维含量、树脂基体含量、孔隙 音，受到了国内外学者的广泛关注-刃.此类摩擦材料 率分布以及织物类型对材料摩擦学性能影响的研究大 收稿日期：2016-11-17

工程科学学报,第 39 卷,第 8 期:1182鄄鄄1187,2017 年 8 月 Chinese Journal of Engineering, Vol. 39, No. 8: 1182鄄鄄1187, August 2017 DOI: 10. 13374 / j. issn2095鄄鄄9389. 2017. 08. 007; http: / / journals. ustb. edu. cn 成型工艺对树脂基摩擦材料及其摩擦学性能的影响 李 辉1)苣 , 杜建华2) , 王浩旭2) , 吕莹莹3) 1) 装甲兵工程学院技术保障工程系, 北京 100072 2) 装甲兵工程学院科研部, 北京 100072 3) 北京科技大学材料科学与工程学院, 北京 100083 苣 通信作者, E鄄mail: lihui881111@ 126. com 摘 要 以碳纤维 2郾 5D 浅交弯联结构为预制体,分别采用树脂传递成型工艺(RTM)和热压成型工艺(HPM)制备了碳纤维 增强酚醛树脂基摩擦材料. 通过 MS鄄T3001 摩擦磨损试验机考核了材料的摩擦磨损性能,采用扫描电子显微镜、激光三维形 貌扫描仪观测了材料的磨损形貌,对比分析了两种成型工艺对材料摩擦学性能的影响. 结果表明:随着滑动速度和工作载荷 的增大,材料的摩擦系数均减小. 热压成型工艺成型摩擦材料的主要磨损形式为磨粒磨损,摩擦系数 0郾 085 ~ 0郾 130,磨损率 1郾 5 伊 10 - 8 g·N - 1·m - 1 . 树脂传递成型工艺成型摩擦材料的主要磨损形式为黏着磨损和疲劳磨损,摩擦系数 0郾 075 ~ 0郾 120, 磨损率 7郾 5 伊 10 - 8 g·N - 1·m - 1 . 关键词 树脂基摩擦材料; 摩擦磨损; 碳纤维; 树脂传递成型; 热压成型 分类号 TB332郾 1 收稿日期: 2016鄄鄄11鄄鄄17 Effect of molding process on tribological characteristics of friction materials based on resin LI Hui 1)苣 , DU Jian鄄hua 2) , WANG Hao鄄xu 2) , L譈 Ying鄄ying 3) 1) Department of Technique Support Engineering, Academy of Armored Force Engineering, Beijing 100072, China 2) Department of Science Research, Academy of Armored Force Engineering, Beijing 100072, China 3) School of Material Science and Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China 苣 Corresponding author, E鄄mail:lihui881111@ 126. com ABSTRACT Resin transfer molding (RTM) and hot鄄pressing molding (HPM) were used to prepare phenolic resin matrix compos鄄 ites reinforced by carbon fiber. The tribological properties of the materials were tested using a MS鄄T3001鄄type friction and wear tester. A scanning electron microscopy and three鄄dimensional laser microscopy were used to analyze the superficial microstructure of the fric鄄 tion materials. Furthermore, a comparative analysis was employed to investigate the influences on the tribological properties by two types of material鄄forming processes. Results indicate that the friction coefficient decreases with increased relative sliding speed and workload. For the RTM friction material, the main form of wear is adhesive wear and fatigue wear, the coefficient of friction is 0郾 075鄄鄄0郾 120, and the wear rate is 7郾 5 伊 10 - 8 g·N - 1·m - 1 . In contrast, for the HPM friction material, abrasive wear is the main form of wear, and the friction coefficient and wear rate are 0郾 085鄄鄄0郾 130 and 1郾 5 伊 10 - 8 g·N - 1·m - 1 , respectively. KEY WORDS resin matrix composite; friction and wear; carbon fiber; resin transfer molding; hot鄄pressing molding 碳纤维增强树脂基摩擦材料具有高而稳定的摩擦 系数、良好的耐磨性、优良的机械性能和低的摩擦噪 音,受到了国内外学者的广泛关注[1鄄鄄7] . 此类摩擦材料 所采用的增强相主要为短切碳纤维[8] 、长纤维[9]或 2D 碳布织物[10] . 关于碳纤维含量、树脂基体含量、孔隙 率分布以及织物类型对材料摩擦学性能影响的研究大

李辉等：成型工艺对树脂基摩擦材料及其摩擦学性能的影响 ·1183· 量出现.殷艳飞等)采用热压成型工艺制备了不同 b70mm的圆盘，供摩擦磨损试验使用 纤维含量的碳纤维增强树脂基摩擦材料，随碳纤维含 量的增加，材料的耐磨性和摩擦稳定性增加，碳纤维质 纬纱 量分数为4%时，材料摩擦系数稳定性最高，磨损机制 经纱 主要为磨粒磨损和疲劳磨损.Fei等[]、Cai等]研究 了不同树脂含量的碳纤维增强摩擦材料的摩擦磨损性 图12.5D浅交弯联织物结构示意图 能，指出质量分数为35%~40%的酚醛树脂摩擦材料 Fig.1 Structure of the 2.5D shallow-crossing linking 具有高摩擦系数、出色的摩擦稳定性和较好的耐热性 能.朱文婷等[研究了孔隙率对树脂基摩擦材料的 树脂传递成型工艺装置示意图如图2所示.工艺 摩擦学性能的影响，结果表明孔隙率较低的摩擦材料 过程为，首先使用真空泵(vacuum pump)在真空袋 有较高的摩擦系数稳定性和较低的磨损率. (vacuum bag)中产生负压(-0.1MPa),将树脂胶液吸 就织物结构而言，2.5D以及3D织物具有较高的 入真空袋中，使其浸润预先放置于真空袋中的纤维预 有序性、紧密性和整体性[6，)，作为树脂基摩擦材料的 制体.浸润结束后加热175℃固化成型 增强预制体，可进一步提高摩擦材料的机械承载能力， 阀门 真空袋导流网 压力表 阀门 同时防止材料在摩擦过程中出现分层开裂现象.因而 o 2.5D以及3D织物增强摩擦材料及其摩擦学性能的研 究是当前摩擦材料的研究重点和热点之一.Kim等[] 脱泡简 直空泵 将碳纤维织物增强树脂基复合材料用于轴承内衬，并 织物 脱模布 研究了其摩擦学性能，发现碳纤维织物的自润滑性可 图2树脂传递成型工艺(TM)装置示意图 显著提高系统的摩擦稳定性.张建民等[]采用溶液浸 Fig.2 Schematic of resin transfer molding (R'TM) 渍和真空辅助工艺制备了2.5D碳纤维机织物增强酚 醛树脂基摩擦材料并研究了其力学性能，剪切强度达 热压成型工艺装置示意图如图3所示.工艺过程 262MPa,弯曲应力达729MPa.杨彩云和胡振英u6]研 为，将纤维预制体与树脂胶液一起放人热压腔体，施加 究了碳纤维2.5D角联锁结构和三向正交结构预制体 压力使树脂充满模腔，在10MPa压力和175℃温度下 增强C/C复合材料的摩擦磨损性能，获得了稳定的摩 使摩擦材料固化成型. 擦系数和较低的磨损率.Tiwari等以及Bijwe和Ral- 加热&加压 tam)研究了碳纤维织物增强聚醚基复合材料的性能， 获得了适合于该类复合材料的织物类型、含量以及预 处理方法等工艺参数. 树脂基摩擦材料及其摩擦学性能受成型工艺影响 的研究报道较少.本文采用碳纤维2.5D浅交弯联结 构作为预制体，分别采用树脂传递成型工艺(resin transfer molding,RTM)和热压成型工艺(hot pressing molding,HPM),制备碳纤维增强酚醛树脂基摩擦材 图3热压成型工艺(HPM)装置示意图 料.研究对比了两种材料在不同工况条件下的摩擦磨 Fig.3 Schematic of hot-pressing molding (HPM) 损性能，为碳纤维整体织物增强树脂基摩擦材料研究 采用树脂传递成型工艺和热压成型工艺制备的摩 提供理论依据. 擦材料基本物理力学性能在表1中列出.热压成型工 1试样方法 艺成型压力达到10MPa,较高的压力将多余的树脂挤 出，造成碳纤维含量较高.碳纤维的密度(1.78g· 1.1试样制备 cm)大于树脂固化后的密度，且较大的成型压力造 试样采用T300-3K碳纤维（威海光威复合材料有 表1不同成型工艺成型的材料物理性能 限公司提供)，按照2.5D浅交弯联结构（如图1所示） Table 1 Physical properties of different materials 编织形成碳纤维整体织物结构预制体，编织经密每厘 密度/ 纤维质量 抗压 硬度、 米8根、纬密每厘米4根，编织层数3层.分别采用树 工艺 (g"cm-3) 分数/% 强度/MPa HS 脂传递成型工艺(RTM)和热压成型工艺(HPM),将酚 树脂传递成型 1.48 醛树脂与碳纤维整体织物结构预制体进行复合，制备 雪 413 98.8 热压成型 1.53 80 448 79.8 碳纤维增强酚醛树脂基摩擦材料.将摩擦材料裁剪为

李 辉等: 成型工艺对树脂基摩擦材料及其摩擦学性能的影响 量出现. 殷艳飞等[11] 采用热压成型工艺制备了不同 纤维含量的碳纤维增强树脂基摩擦材料,随碳纤维含 量的增加,材料的耐磨性和摩擦稳定性增加,碳纤维质 量分数为 4% 时,材料摩擦系数稳定性最高,磨损机制 主要为磨粒磨损和疲劳磨损. Fei 等[12] 、Cai 等[13]研究 了不同树脂含量的碳纤维增强摩擦材料的摩擦磨损性 能,指出质量分数为 35% ~ 40% 的酚醛树脂摩擦材料 具有高摩擦系数、出色的摩擦稳定性和较好的耐热性 能. 朱文婷等[14] 研究了孔隙率对树脂基摩擦材料的 摩擦学性能的影响,结果表明孔隙率较低的摩擦材料 有较高的摩擦系数稳定性和较低的磨损率. 就织物结构而言,2郾 5D 以及 3D 织物具有较高的 有序性、紧密性和整体性[6,11] ,作为树脂基摩擦材料的 增强预制体,可进一步提高摩擦材料的机械承载能力, 同时防止材料在摩擦过程中出现分层开裂现象. 因而 2郾 5D 以及 3D 织物增强摩擦材料及其摩擦学性能的研 究是当前摩擦材料的研究重点和热点之一. Kim 等[15] 将碳纤维织物增强树脂基复合材料用于轴承内衬,并 研究了其摩擦学性能,发现碳纤维织物的自润滑性可 显著提高系统的摩擦稳定性. 张建民等[6]采用溶液浸 渍和真空辅助工艺制备了 2郾 5D 碳纤维机织物增强酚 醛树脂基摩擦材料并研究了其力学性能,剪切强度达 262 MPa,弯曲应力达 729 MPa. 杨彩云和胡振英[16] 研 究了碳纤维 2郾 5D 角联锁结构和三向正交结构预制体 增强 C/ C 复合材料的摩擦磨损性能,获得了稳定的摩 擦系数和较低的磨损率. Tiwari 等[1]以及 Bijwe 和 Rat鄄 tan [7]研究了碳纤维织物增强聚醚基复合材料的性能, 获得了适合于该类复合材料的织物类型、含量以及预 处理方法等工艺参数. 树脂基摩擦材料及其摩擦学性能受成型工艺影响 的研究报道较少. 本文采用碳纤维 2郾 5D 浅交弯联结 构作为预制体,分别采用树脂传递成型工艺 ( resin transfer molding, RTM) 和热压成型工艺( hot pressing molding, HPM),制备碳纤维增强酚醛树脂基摩擦材 料. 研究对比了两种材料在不同工况条件下的摩擦磨 损性能,为碳纤维整体织物增强树脂基摩擦材料研究 提供理论依据. 1 试样方法 1郾 1 试样制备 试样采用 T300鄄3K 碳纤维(威海光威复合材料有 限公司提供),按照 2郾 5D 浅交弯联结构(如图 1 所示) 编织形成碳纤维整体织物结构预制体,编织经密每厘 米 8 根、纬密每厘米 4 根,编织层数 3 层. 分别采用树 脂传递成型工艺(RTM)和热压成型工艺(HPM),将酚 醛树脂与碳纤维整体织物结构预制体进行复合,制备 碳纤维增强酚醛树脂基摩擦材料. 将摩擦材料裁剪为 准70 mm 的圆盘,供摩擦磨损试验使用. 图 1 2郾 5D 浅交弯联织物结构示意图 Fig. 1 Structure of the 2郾 5D shallow鄄crossing linking 树脂传递成型工艺装置示意图如图 2 所示. 工艺 过程为,首先使用真空泵 ( vacuum pump) 在真空袋 (vacuum bag)中产生负压( - 0郾 1 MPa),将树脂胶液吸 入真空袋中,使其浸润预先放置于真空袋中的纤维预 制体. 浸润结束后加热 175 益固化成型. 图 2 树脂传递成型工艺(RTM)装置示意图 Fig. 2 Schematic of resin transfer molding (RTM) 热压成型工艺装置示意图如图 3 所示. 工艺过程 为,将纤维预制体与树脂胶液一起放入热压腔体,施加 压力使树脂充满模腔,在 10 MPa 压力和 175 益 温度下 使摩擦材料固化成型. 图 3 热压成型工艺(HPM)装置示意图 Fig. 3 Schematic of hot - pressing molding (HPM) 采用树脂传递成型工艺和热压成型工艺制备的摩 擦材料基本物理力学性能在表 1 中列出. 热压成型工 艺成型压力达到 10 MPa,较高的压力将多余的树脂挤 出,造成碳纤维含量较高. 碳纤维的密度(1郾 78 g· cm - 3 )大于树脂固化后的密度,且较大的成型压力造 表 1 不同成型工艺成型的材料物理性能 Table 1 Physical properties of different materials 工艺 密度/ (g·cm - 3 ) 纤维质量 分数/ % 抗压 强度/ MPa 硬度, HS 树脂传递成型 1郾 48 65 413 98郾 8 热压成型 1郾 53 80 448 79郾 8 ·1183·

·1184· 工程科学学报，第39卷，第8期 成树脂交联固化程度增加，复合材料密度增加 采用Quanta200型扫描电子显微镜(scanning elec-. 1.2试验方法 tron microscope,SEM)观测材料磨损后的表面微观形 使用兰州华汇科技有限公司MS-T3001销盘式 貌，分析材料的摩擦磨损机理.采用0LS4000型3D激 (pin-on-disk)摩擦磨损试验仪进行摩擦磨损性能测 光扫描形貌仪观察摩擦材料磨损前后的表面形貌和磨 试.试验仪的工作原理如图4所示.试验时，相对转速 痕形态 由电机控制，对偶销与摩擦材料试样之间的正压力通 2结果与讨论 过配重砝码调节.对偶材料为GCrs钢球，直径中5mm. 试验转速分别为500、750、1000和1500r·min-1,旋转 2.1表面形貌 半径30mm,对应相对滑动线速度1.57、2.36、3.14、 图5为材料磨损前的表面形貌.由图可知，树脂 4.71ms.试验载荷5、7.5、10、15、20N.摩擦系数由 传递成型工艺成型材料（图5(a)、(b))表面被树脂基 实验仪测出，质量磨损率通过测量磨损前后的质量差 体覆盖且较为平整，表面高度差小于20μm.热压成型 求得，如下式 工艺成型材料（图5(c)、(d))表面呈现明显的织物轮 6=1.1.m1-m2 廓.对比图5(c)与图5(d),图5(c)中“纤维束A”对 (1) 2rrnf 应的部位高度值较小，而纤维交织节点B对应的部位 式中：0为质量磨损率，gNm':∫为摩擦力，N;m1 高度值较大.说明此织物轮廓并非碳纤维织物轮廓， 为磨损前质量，g:m,为磨损后质量，g;r为摩擦半径， 而是成型时脱模布在材料表面留下的印记.这是因为 m;n为转速，rmin 热压成型工艺成型压力较高(10MPa),将脱模布压入 11 到树脂基体中，造成材料表面较粗糙，表面粗糙度为 Ra=0.714μm.而树脂传递成型工艺成型压力较低 (0.1MPa),且多余的树脂被吸出，所以材料表面较平 整，表面粗糙度为Ra=0.158μm. 图6为转速1000rmin-,载荷11N,对磨5h条件 下，不同成型工艺摩擦材料的表面磨损形貌.由图可 1一电机：2一底座：3一支架：4一温度传感器：5一配种砝码：6一 知，树脂传递成型工艺成型试样磨痕较深，磨痕中心深 销：7一试样盘：8一承载盘：9一转动支架：10一摩擦力传感器； 度约180μm,有明显的磨痕边缘，而未发现碳纤维有 11一支撑臂：12一传动带：13一转速传感器 明显的磨损现象.热压成型工艺成型试样磨痕较浅， 图4MS-T3001摩擦磨损试验仪示意图 磨痕中心深度约70μm,没有明显的磨痕边缘，并且在 Fig.4 Schematic of the MS-T3001 pin-on-disk tribometer 磨痕中部发现碳纤维磨损现象 b Ba=0.158μm Ra=0.714um 640 480 320 160 30 320 160 63 480 905 轮廓高度/μm 640x 轮廓高度/m1207~x 100μm 05101520 200um 0255075100 图5不同成型工艺复合材料表面形貌.(a)树脂传递成型工艺材料表面照片：(b)树脂传递成型工艺材料表面三维形貌：（©）热压成型 工艺材料表面照片：()热压成型工艺材料表面三维形貌 Fig.5 Surface topography of different materials:(a)topography of material made by RTM;(b)three-dimensional (3D)topography of material made by RTM;(c)topography of material made by HPM;(d)3D topography of material made by HPM 树脂传递成型工艺成型摩擦材料表面树脂含量较置为材料表面的微凸体（图5（©）中的B处).摩擦过 多（质量分数35%），摩擦过程中对偶钢球与树脂基体程中，在压力与剪切力的作用下，微凸体逐渐被磨平、 对磨，强度较低的树脂基体发生磨损，在材料表面形成 脱落，形成磨屑.对偶钢球进一步与碳纤维发生摩擦， 较深的磨痕.在树脂基体的保护下，碳纤维没有发生 对表层纤维造成破坏，产生纤维磨屑.因材料表面树 明显的磨损现象 脂厚度小，所以无明显磨痕产生 热压成型工艺成型材料与对偶钢球的实际接触位

工程科学学报,第 39 卷,第 8 期 成树脂交联固化程度增加,复合材料密度增加. 1郾 2 试验方法 使用兰州华汇科技有限公司 MS鄄T3001 销盘式 (pin鄄on鄄disk) 摩擦磨损试验仪进行摩擦磨损性能测 试. 试验仪的工作原理如图 4 所示. 试验时,相对转速 由电机控制,对偶销与摩擦材料试样之间的正压力通 过配重砝码调节. 对偶材料为 GCr15钢球,直径准5 mm. 试验转速分别为 500、750、1000 和 1500 r·min - 1 ,旋转 半径 30 mm,对应相对滑动线速度 1郾 57、2郾 36、3郾 14、 4郾 71 m·s - 1 . 试验载荷 5、7郾 5、10、15、20 N. 摩擦系数由 实验仪测出,质量磨损率通过测量磨损前后的质量差 求得,如下式. 兹 = 1 2仔r · 1 n · m1 - m2 f . (1) 式中:兹 为质量磨损率,g·N - 1·m - 1 ;f 为摩擦力,N;m1 为磨损前质量,g;m2 为磨损后质量,g;r 为摩擦半径, m;n 为转速,r·min - 1 . 1—电机;2—底座;3—支架;4—温度传感器;5—配种砝码;6— 销;7—试样盘;8—承载盘;9—转动支架;10—摩擦力传感器; 11—支撑臂;12—传动带;13—转速传感器 图 4 MS鄄T3001 摩擦磨损试验仪示意图 Fig. 4 Schematic of the MS鄄T3001 pin鄄on鄄disk tribometer 采用 Quanta200 型扫描电子显微镜( scanning elec鄄 tron microscope , SEM)观测材料磨损后的表面微观形 貌,分析材料的摩擦磨损机理. 采用 OLS4000 型 3D 激 光扫描形貌仪观察摩擦材料磨损前后的表面形貌和磨 痕形态. 2 结果与讨论 2郾 1 表面形貌 图 5 为材料磨损前的表面形貌. 由图可知,树脂 传递成型工艺成型材料(图 5(a)、(b))表面被树脂基 体覆盖且较为平整,表面高度差小于 20 滋m. 热压成型 工艺成型材料(图 5(c)、(d))表面呈现明显的织物轮 廓. 对比图 5(c)与图 5(d),图 5( c)中“纤维束 A冶对 应的部位高度值较小,而纤维交织节点 B 对应的部位 高度值较大. 说明此织物轮廓并非碳纤维织物轮廓, 而是成型时脱模布在材料表面留下的印记. 这是因为 热压成型工艺成型压力较高(10 MPa),将脱模布压入 到树脂基体中,造成材料表面较粗糙,表面粗糙度为 Ra = 0郾 714 滋m. 而树脂传递成型工艺成型压力较低 (0郾 1 MPa),且多余的树脂被吸出,所以材料表面较平 整,表面粗糙度为 Ra = 0郾 158 滋m. 图 6 为转速 1000 r·min - 1 ,载荷 11 N,对磨 5 h 条件 下,不同成型工艺摩擦材料的表面磨损形貌. 由图可 知,树脂传递成型工艺成型试样磨痕较深,磨痕中心深 度约 180 滋m,有明显的磨痕边缘,而未发现碳纤维有 明显的磨损现象. 热压成型工艺成型试样磨痕较浅, 磨痕中心深度约 70 滋m,没有明显的磨痕边缘,并且在 磨痕中部发现碳纤维磨损现象. 图 5 不同成型工艺复合材料表面形貌. (a) 树脂传递成型工艺材料表面照片; (b) 树脂传递成型工艺材料表面三维形貌; (c) 热压成型 工艺材料表面照片; (d) 热压成型工艺材料表面三维形貌 Fig. 5 Surface topography of different materials: ( a) topography of material made by RTM; ( b) three鄄dimensional (3D) topography of material made by RTM; (c) topography of material made by HPM; (d) 3D topography of material made by HPM 树脂传递成型工艺成型摩擦材料表面树脂含量较 多(质量分数 35% ),摩擦过程中对偶钢球与树脂基体 对磨,强度较低的树脂基体发生磨损,在材料表面形成 较深的磨痕. 在树脂基体的保护下,碳纤维没有发生 明显的磨损现象. 热压成型工艺成型材料与对偶钢球的实际接触位 置为材料表面的微凸体(图 5( c)中的 B 处). 摩擦过 程中,在压力与剪切力的作用下,微凸体逐渐被磨平、 脱落,形成磨屑. 对偶钢球进一步与碳纤维发生摩擦, 对表层纤维造成破坏,产生纤维磨屑. 因材料表面树 脂厚度小,所以无明显磨痕产生. ·1184·

李辉等：成型工艺对树脂基摩擦材料及其摩擦学性能的影响 ·1185· d 131 2205 655 1214 470 910 607 735 303 0159319479638- 轮廓高度/μm 轮廓高度μm 400μm 060120180240 400m032.565.097.5130.0 图6不同成型工艺制备的复合材料磨痕形貌.(a)树脂传递成型工艺材料磨痕照片：(b)树脂传递成型工艺材料磨痕三维形貌：（©）热 压成型工艺材料磨痕照片：()热压成型工艺材料磨痕三维形貌 Fig.6 Wear scratches of different materials:(a)wear scratches of material made by RTM:(b)3D wear scratches of material made by RTM;(c) wear scratches of material made by HPM;(d)3D wear scratches of material made by HPM 2.2摩擦磨损性能 生高温，使基体材料软化，抗剪切极限力降低，容易 图7为不同载荷条件下，材料的动摩擦系数随 被“切掉”而减小摩擦阻力.同时，摩擦材料表面温 滑动速度的变化曲线.热压成型工艺成型摩擦材料 度升高使润滑油黏度减小.综合因素都使摩擦系数 的摩擦系数波动范围0.085~0.130.树脂传递成型 降低.树脂传递成型工艺成型材料摩擦系数随相对 工艺成型摩擦材料的摩擦系数波动范围0.075~ 滑动速度的增加几乎呈直线下降，而热压成型工艺 0.120.随载荷和相对滑动速度的增加，两种材料的 成型材料的摩擦系数下降趋势在高速时逐渐减缓. 动摩擦系数都逐渐减小.这是由于，相对滑动速度增 这是因为热压成型工艺成型材料表面树脂含量少， 加时，接触表面粗糙峰啮合程度降低，摩擦副贴合状 高速时碳纤维承受较大的摩擦载荷，摩擦状态受相 态较弱.而且在高速相对滑动状态下，摩擦面上会产 对速度和温度的影响较小. 0.150 a 0.150西 。-5.0N -7.5N 0.125 4-100 0.125 12.5N ◆-15.0N 0.1002 0.100 暂 5.0N 。-75N 0.075 0.075 4-10.0N -12.5N ◆一50w 0.050 3 4 0.050 2 2 4 滑动速度(m·s) 滑动速度m·s少 图7摩擦系数随滑动速度的变化曲线.()树脂传递成型工艺成型材料：(b)热压成型工艺成型材料 Fig.7 Relation between friction coefficient and sliding speed:(a)material made by RTM;(b)material made by HPM 对比两种材料在相同载荷下摩擦系数随相对滑动 2.3磨损机理 速度的变化情况，如图8所示，热压成型工艺(HPM) 图10为两种材料磨损后的扫描电镜微观形貌，可 成型材料的摩擦系数高于树脂传递成型工艺(RTM) 以发现树脂传递成型工艺成型材料磨痕表面覆盖了一 成型材料，这是因为热压成型工艺成型材料成型压力 层光滑的树脂，而且有裂纹分布，裂纹方向与碳纤维轴 高，表面粗糙度大，所以摩擦系数较大.树脂传递成型 向平行.说明碳纤维与树脂基体界面结合强度不够，经 工艺成型压力较小，表面树脂基体较厚，粗糙度小，摩 过长时间的摩擦，会造成树脂基体的成块脱落 擦时对偶钢球压入材料表面树脂层，摩擦系数低.因 热压成型工艺成型材料磨痕表面分布有大量的颗 树脂基体耐磨性差，所以在摩擦过程中对偶钢球对材 粒，碳纤维清晰可见，且有少量被磨断 料造成较严重的磨损，磨损率达到7.5×10-8g·N1· 通过对试样进行三维形貌的观测和扫描电镜观 m,约为热压成型工艺材料磨损率1.5×10-8gN-1. 测，可以推断试样不同的摩擦磨损方式.如图11(a) m的5倍（如图9）. 所示，树脂传递成型工艺成型试样表面树脂层较厚，对

李 辉等: 成型工艺对树脂基摩擦材料及其摩擦学性能的影响 图 6 不同成型工艺制备的复合材料磨痕形貌. (a) 树脂传递成型工艺材料磨痕照片; (b) 树脂传递成型工艺材料磨痕三维形貌; (c) 热 压成型工艺材料磨痕照片; (d) 热压成型工艺材料磨痕三维形貌 Fig. 6 Wear scratches of different materials: (a) wear scratches of material made by RTM; (b) 3D wear scratches of material made by RTM; (c) wear scratches of material made by HPM; (d) 3D wear scratches of material made by HPM 2郾 2 摩擦磨损性能 图 7 为不同载荷条件下,材料的动摩擦系数随 滑动速度的变化曲线. 热压成型工艺成型摩擦材料 的摩擦系数波动范围 0郾 085 ~ 0郾 130. 树脂传递成型 工艺成型摩擦材料的摩 擦 系 数 波 动 范 围 0郾 075 ~ 0郾 120. 随载荷和相对滑动速度的增加,两种材料的 动摩擦系数都逐渐减小. 这是由于,相对滑动速度增 加时,接触表面粗糙峰啮合程度降低,摩擦副贴合状 态较弱. 而且在高速相对滑动状态下,摩擦面上会产 生高温,使基体材料软化,抗剪切极限力降低,容易 被“切掉冶 而减小摩擦阻力. 同时,摩擦材料表面温 度升高使润滑油黏度减小. 综合因素都使摩擦系数 降低. 树脂传递成型工艺成型材料摩擦系数随相对 滑动速度的增加几乎呈直线下降,而热压成型工艺 成型材料的摩擦系数下降趋势在高速时逐渐减缓. 这是因为热压成型工艺成型材料表面树脂含量少, 高速时碳纤维承受较大的摩擦载荷,摩擦状态受相 对速度和温度的影响较小. 图 7 摩擦系数随滑动速度的变化曲线. (a) 树脂传递成型工艺成型材料; (b) 热压成型工艺成型材料 Fig. 7 Relation between friction coefficient and sliding speed: (a) material made by RTM; (b) material made by HPM 对比两种材料在相同载荷下摩擦系数随相对滑动 速度的变化情况,如图 8 所示,热压成型工艺( HPM) 成型材料的摩擦系数高于树脂传递成型工艺(RTM) 成型材料,这是因为热压成型工艺成型材料成型压力 高,表面粗糙度大,所以摩擦系数较大. 树脂传递成型 工艺成型压力较小,表面树脂基体较厚,粗糙度小,摩 擦时对偶钢球压入材料表面树脂层,摩擦系数低. 因 树脂基体耐磨性差,所以在摩擦过程中对偶钢球对材 料造成较严重的磨损,磨损率达到 7郾 5 伊 10 - 8 g·N - 1· m - 1 ,约为热压成型工艺材料磨损率 1郾 5 伊 10 - 8 g·N - 1· m - 1的 5 倍(如图 9). 2郾 3 磨损机理 图 10 为两种材料磨损后的扫描电镜微观形貌,可 以发现树脂传递成型工艺成型材料磨痕表面覆盖了一 层光滑的树脂,而且有裂纹分布,裂纹方向与碳纤维轴 向平行. 说明碳纤维与树脂基体界面结合强度不够,经 过长时间的摩擦,会造成树脂基体的成块脱落. 热压成型工艺成型材料磨痕表面分布有大量的颗 粒,碳纤维清晰可见,且有少量被磨断. 通过对试样进行三维形貌的观测和扫描电镜观 测,可以推断试样不同的摩擦磨损方式. 如图 11( a) 所示,树脂传递成型工艺成型试样表面树脂层较厚,对 ·1185·

·1186· 工程科学学报，第39卷，第8期 0.150 10 ☑RTM材料 HPM材料 9 8 0.125 7 6 0.100 5 4 3 0.175 2 0.050 RTM材料 HPM材料 滑动速度m·s) 材料种类 图810N载荷时摩擦系数随相对滑动速度的变化 图910N载荷时不同材料质量磨损率对比 Fig.8 Coefficient of friction for different materials followed with slid- Fig.9 Wear rate of different materials at a load of 10 N ing speed at a load of 10N 图10不同工艺成型材料磨痕微观形貌对比.(a)树脂传递成型工艺材料：(b)热压成型工艺材料 Fig.10 Microstructure of wear scratches:(a)material made by RTM;(b)material made by HPM 偶钢球与树脂基体的持续摩擦产生大量的热量，使接 触区域温度升高，导致材料剪切强度下降，产生黏着现 象，在接触区域产生摩擦膜，摩擦膜的撕裂与涂抹形成 了图10(a)中的光滑摩擦面.摩擦过程主要是树脂 (b) 与对偶钢球发生摩擦作用，对纤维的损伤较小，但是 图11不同工艺成型材料磨损形式示意图.(a)树脂传递成型工 树脂本身的硬度与耐磨性能远低于碳纤维，所以磨 艺材料：(b)热压成型工艺材料 痕较深，磨损较严重.磨损形式以黏着磨损和疲劳磨 Fig.11 Schematic of wear mode:(a)material made by RTM;(b) 损为主 material made by HPM 如图11(b)所示，热压成型工艺成型试样表面树 Ra=0.714μm,树脂传递成型工艺成型材料的表面粗 脂层较薄且凹凸不平，对摩时钢球表面微凸体发生相 糙度为Ra=0.158μm. 互剪切作用，被剪切掉落的微凸体形成磨屑对纤维织 (2)树脂传递成型工艺和热压成型工艺制备的摩 物产生磨粒磨损.因为碳纤维的硬度与耐磨性较树脂 擦材料摩擦系数均随相对滑动速度的增大而减小，随 基体要好得多，所以磨痕较浅，磨损量较小.磨损形式 工作载荷的增大而减小.热压成型工艺制备的摩擦材 以磨粒磨损为主 料较树脂传递成型工艺制备的摩擦材料摩擦系数高， 3结论 磨损率低.树脂传递成型工艺制备的摩擦材料的主要 磨损形式为黏着磨损和疲劳磨损，而热压成型工艺制 (1)热压成型工艺成型材料的碳纤维质量分数高 备的摩擦材料的主要磨损形式为磨粒磨损. 达80%，较树脂传递成型工艺成型材料(65%)高，密 度(1.48g·cm3)较树脂传递成型工艺成型材料(1.53 参考文献 gcm3)大.热压成型工艺成型材料的表面粗糙度为 [1]Tiwari S,Bijwe J,Panier S.Adhesive wear performance of poly-

工程科学学报,第 39 卷,第 8 期 图 8 10 N 载荷时摩擦系数随相对滑动速度的变化 Fig. 8 Coefficient of friction for different materials followed with slid鄄 ing speed at a load of 10 N 图 9 10 N 载荷时不同材料质量磨损率对比 Fig. 9 Wear rate of different materials at a load of 10 N 图 10 不同工艺成型材料磨痕微观形貌对比. (a) 树脂传递成型工艺材料; (b) 热压成型工艺材料 Fig. 10 Microstructure of wear scratches: (a) material made by RTM; (b) material made by HPM 偶钢球与树脂基体的持续摩擦产生大量的热量,使接 触区域温度升高,导致材料剪切强度下降,产生黏着现 象,在接触区域产生摩擦膜,摩擦膜的撕裂与涂抹形成 了图 10( a) 中的光滑摩擦面. 摩擦过程主要是树脂 与对偶钢球发生摩擦作用,对纤维的损伤较小,但是 树脂本身的硬度与耐磨性能远低于碳纤维,所以磨 痕较深,磨损较严重. 磨损形式以黏着磨损和疲劳磨 损为主. 如图 11(b)所示,热压成型工艺成型试样表面树 脂层较薄且凹凸不平,对摩时钢球表面微凸体发生相 互剪切作用,被剪切掉落的微凸体形成磨屑对纤维织 物产生磨粒磨损. 因为碳纤维的硬度与耐磨性较树脂 基体要好得多,所以磨痕较浅,磨损量较小. 磨损形式 以磨粒磨损为主. 3 结论 (1)热压成型工艺成型材料的碳纤维质量分数高 达 80% ,较树脂传递成型工艺成型材料(65% ) 高,密 度(1郾 48 g·cm - 3 )较树脂传递成型工艺成型材料(1郾 53 g·cm - 3 )大. 热压成型工艺成型材料的表面粗糙度为 图11 不同工艺成型材料磨损形式示意图. (a) 树脂传递成型工 艺材料;(b)热压成型工艺材料 Fig. 11 Schematic of wear mode: (a) material made by RTM; (b) material made by HPM Ra = 0郾 714 滋m,树脂传递成型工艺成型材料的表面粗 糙度为 Ra = 0郾 158 滋m. (2)树脂传递成型工艺和热压成型工艺制备的摩 擦材料摩擦系数均随相对滑动速度的增大而减小,随 工作载荷的增大而减小. 热压成型工艺制备的摩擦材 料较树脂传递成型工艺制备的摩擦材料摩擦系数高, 磨损率低. 树脂传递成型工艺制备的摩擦材料的主要 磨损形式为黏着磨损和疲劳磨损,而热压成型工艺制 备的摩擦材料的主要磨损形式为磨粒磨损. 参 考 文 献 [1] Tiwari S, Bijwe J, Panier S. Adhesive wear performance of poly鄄 ·1186·

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