干摩擦和水潤滑摩擦條件下摩擦系數(shù)隨磨損時間的變化

一、環(huán)氧樹脂/聚服復(fù)合材料的摩擦磨損

   環(huán)氧樹脂與聚脈基聚醚C Polyurea混合后形成環(huán)氧樹脂/聚脈復(fù)合材料，其中聚脈的含量為1 Owt.。本節(jié)將考察不同試驗條件下，純環(huán)氧樹脂和環(huán)氧樹脂/聚脈復(fù)合材料的摩擦磨損性能。

二、摩擦磨損性能

   圖4-1和圖4-2所示為干摩擦條件下，接觸載荷為98N時，環(huán)氧樹脂及環(huán)氧樹脂/聚脈復(fù)合材料的摩擦系數(shù)和磨損質(zhì)量損失隨磨損時間的變化曲線。可見，在磨損的初始階段，材料的摩擦系數(shù)都隨磨損時間的增加而明顯增加，大約20分鐘后會基本趨于穩(wěn)定，純環(huán)氧樹脂的摩擦系數(shù)較高，加入聚脈后，摩擦系數(shù)明顯降低(圖4-1 >。所有材料的磨損質(zhì)量損失都隨磨損時間的延長而增大，純環(huán)氧樹脂的磨損質(zhì)量損失要顯著高于環(huán)氧樹脂/聚脈復(fù)合材料的磨損質(zhì)量損失(圖4-2 >。相同的實驗條件下，環(huán)氧樹脂/聚脈復(fù)合材料的摩擦系數(shù)和磨損質(zhì)量損失都比純環(huán)氧樹脂的摩擦系數(shù)和磨損質(zhì)量損失低。

   圖4-3和圖4-4所示為水潤滑條件下，接觸載荷為98N時，環(huán)氧樹脂及環(huán)氧樹脂/聚脈復(fù)合材料的摩擦系數(shù)和磨損質(zhì)量損失隨磨損時間的變化曲線?？梢?，環(huán)氧樹脂/聚脈復(fù)合材料的摩擦系數(shù)明顯低于純環(huán)氧樹脂的摩擦系數(shù)，而且純環(huán)氧樹脂的摩擦系數(shù)隨著磨損時間的延長而逐漸增加，而環(huán)氧樹脂/聚脈復(fù)合材料的摩擦系數(shù)則相對比較穩(wěn)定(圖4-3 >;純環(huán)氧樹脂和環(huán)氧樹脂/聚脈復(fù)合材料的磨損質(zhì)量損失均隨磨損時間的增加而迅速增加(圖4-4 > 。

   水潤滑條件下，環(huán)氧樹脂及環(huán)氧樹脂/聚脈復(fù)合材料的摩擦系數(shù)均比干摩擦?xí)r低，但是磨損質(zhì)量損失卻比干摩擦?xí)r高，這是由于水的存在起到了潤滑和冷卻作用，并且在鋼輪表面形成水膜，減少了粘著磨損所致。相同的試驗條件下，聚脈的加入可顯著降低純環(huán)氧樹脂的摩擦系數(shù)和磨損質(zhì)量損失，提高了復(fù)合材料的耐磨性。

三、磨損表面形貌分析

   圖4-5所示為干摩擦條件下，接觸載荷為98N，磨損時間為60min時，環(huán)氧樹脂及環(huán)氧樹脂/聚脈復(fù)合材料的磨損表面形貌的SEM照片。由圖4-5 ( a可見，純環(huán)氧樹脂磨損表面具有明顯的犁溝，表明犁溝磨損和粘著磨損是主要的磨損機制;由圖4-5 ( b >可見，環(huán)氧樹脂/聚脈復(fù)合材料的磨損表面有細(xì)小的裂紋，表面相對比較平整，表明疲勞磨損是主要的磨損機制。聚脈的加入，提高了環(huán)氧樹脂/聚脈復(fù)合材料的韌性，從而提高了復(fù)合材料的耐磨性。

   圖4-6所示為干摩擦條件下，接觸載荷為98N，磨損時間為60min時，環(huán)氧樹脂和環(huán)氧樹脂/聚脈復(fù)合材料的磨損表面形貌與斷口形貌在高倍下的掃描電鏡照片。由圖4-6 ( a可見，由于純環(huán)氧樹脂較脆，在周期性摩擦力作用下，聚合物發(fā)生強烈力降解而產(chǎn)生脆性剝落，使材料的耐磨性能顯著下降，磨損表面樹脂基體發(fā)生微觀片狀脫落，這與其高載荷下較差的抗磨性相對應(yīng)。圖4-6(b>為環(huán)氧樹脂/聚脈復(fù)合材料經(jīng)液氮冷凍脆斷斷口的掃描電鏡照片。從電鏡照片中可以看到，環(huán)氧樹脂復(fù)合材料中分散相聚脈顆粒的分布比較均勻，而且粒子的形狀比較規(guī)則，而環(huán)氧樹脂/聚脈復(fù)合材料的磨損表面的掃描電鏡照片表明，部分聚脈粒子發(fā)生了塑性變形(圖4-6 ( c，表明聚脈的加入，提高了韌性，吸收了摩擦剪切能，從而提高了復(fù)合材料的耐磨性。從圖4-6 (b>和(CJ可以看出環(huán)氧樹脂/聚脈復(fù)合材料中部分顆粒脫落和斷裂后形成的孔洞，這與橡膠顆粒的增韌機理一致，由此可見聚脈的加入提高了復(fù)合材料的韌性。

四、紅外譜圖分析

 圖4-7所示為干摩擦條件下，接觸載荷為98N，磨損時間為60min時，環(huán)氧樹脂/聚脈復(fù)合材料的磨損前的碎屑及磨屑的FT-IR譜圖?？梢?，復(fù)合材料的紅外譜圖相當(dāng)復(fù)雜，與磨損前相比，磨損后C-H鍵和C-O鍵的吸收峰明顯增強，表明在干摩擦過程中，環(huán)氧樹脂表面己被氧化。

 聚脈是通過縮聚反應(yīng)合成的，當(dāng)溶解在某種溶劑時，一定量的聚脈會解聚而產(chǎn)生聚合，形成一個平衡的縮聚反應(yīng)。此時，聚脈是溶質(zhì)，環(huán)氧樹脂是反應(yīng)性溶劑。環(huán)氧樹脂很容易與聚脈解聚時形成的端氨基和其它的氨基反應(yīng)，聚脈大分子由于該反應(yīng)而不能聚合，使得平衡發(fā)生移動，以降低聚脈的分子量。圖4-8所示為120 0C下環(huán)氧端基和聚脈共聚體的反應(yīng)方程式，可見，由于聚脈共聚體解聚時形成的端氨基和其它的氨基與環(huán)氧端基反應(yīng)，生成H-O鍵。

 圖4-9所示為純環(huán)氧樹脂與環(huán)氧樹脂/聚脈復(fù)合材料磨損前碎屑的FT-IR譜圖。可見，與純環(huán)氧樹脂相比，環(huán)氧樹脂/聚脈復(fù)合材料中的H-O鍵的吸收峰明顯強于C-O鍵的吸收峰。這是由于環(huán)氧樹脂/聚脈復(fù)合材料中環(huán)氧端基與聚脈反應(yīng)，生成了更多的H-O鍵，從而削弱了C-O鍵特性，增強了H-O鍵特性，使C-O吸收頻率降低，這與圖4-8所示的反應(yīng)方程式的分析結(jié)果一致。環(huán)氧端基與聚脈的反應(yīng)使得更多的環(huán)氧分子融入分散相中，從而提高了復(fù)合材料的耐磨性。