热固性树脂基复合材料

热固性树脂基复合材料（精选9篇）

热固性树脂基复合材料 篇1

BMP系列热固性聚酰亚胺树脂基复合材料的应用进展

介绍了BMP系列聚酰亚胺树脂基复合材料的.种类和性能,以及产品的应用及发展前景.

作 者：刘强 王晓亮 蒋蔚 周洪飞 作者单位：刘强,王晓亮(海军驻北京地区航空军事代表室)

蒋蔚,周洪飞(北京航空制造工程研究所)

刊 名：航空制造技术 ISTIC英文刊名：AERONAUTICAL MANUFACTURING TECHNOLOGY年，卷(期)：“”(z1)分类号：V2关键词：聚酰亚胺 BMP 复合材料

热固性树脂基复合材料 篇2

木塑复合材料(WPC)是通过挤出、注塑或模压工艺将木纤维、热塑性树脂和填料复合而成的一种新型复合材料。最近几年,WPC由于密度小、硬度高、强度大、成本低,被广泛的应用到建筑装饰材料领域。

木纤维通常作为WPC的增强纤维,由于森林资源的不断减少,和木纤维的需求量越来越大,木纤维面临着资源短缺问题。每年世界上产生大量的农林废弃物,农林废弃物可作为植物纤维替代木纤维[1,2]。大量学者对农林废弃物作为可替代纤维做了大量研究,分别将椰子壳纤维、剑麻纤维、玉米秸秆、水稻秸秆、小麦秸秆添加到热塑性树脂中。玉米秸秆作为农林废弃物的一种,强度大,可获得性好,可作为一种木纤维的替代纤维。

玻璃纤维增强热固性树脂,是一种难以回收利用的材料,分子链交联,不能重熔。每年产生大量的玻璃纤维增强热固性树脂废渣,带来了严重的环境污染问题,但玻璃纤维增强热固性树脂废渣强度高,耐磨性强,吸水率低。Correiat al.[3]发现复合材料引入少量玻璃纤维增强热固性树脂废渣后强度得到较大的提高,大量添加后力学性能反而降低。Ribeiro MCS[4]研究表明,混凝土复合材料添加少量玻璃纤维增强热固性树脂废渣后,抗弯强度与抗折强度分别提高了11%和17%。

2 实验

2.1 材料

PVC(S-700)购买于齐鲁石化公司,山东济南。Na OH,分析纯,购买于阿拉丁有限责任公司,济南。玉米秸秆来自济南农村。璃纤维增强热固性树脂废渣来自德州日新有限公司。

先将玉米秸秆烘干,将玉米秸秆剥去内穰,留外壳烘干粉碎,用80目标准筛筛分,将过筛后的秸秆粉浸泡在5%浓度的氢氧化钠溶液中,浸泡48小时,后用清水洗至中性,95℃烘干。

玻璃纤维增强热固性树脂废渣通过机械粉碎法制得,80目标准筛筛分。

2.2 样品制备

将所有物料烘干,均匀混合,按照不同份数分组。混合物料在高速捏合机中90℃下均匀混合10分钟。混合后的样品放入热压机的模具中,8MPa压力下模压20分钟,缓慢冷却至室温,取出板材。

3 结果与讨论

图1为玻璃纤维废渣的红外光谱图。3,445 cm-1,2,926 cm-1,1,718 cm-1,1,167 cm-1,and 800 cm-1峰值,分别为-OH,CH2,-C-O,-C=O,-Si-O键伸缩振动峰,与不饱和树脂和玻璃纤维的红外图相吻合,结果表明,废渣中的树脂为不饱和树脂,纤维是玻璃纤维。

玉米秸秆纤维经氢氧化钠处理后,表面变得粗糙,有明显的沟痕,因为氢氧化钠破坏了纤维表面的化学键,并且果胶脱落,半纤维素断裂分解。疏松的结构更容易附着树脂基体,纤维表面的粗糙度增加了纤维与树脂基体的界面结合性。

如图2所示,FRP废渣用量对WPC拉伸性能具有显著的影响。WPC的拉伸强度随着FRP废渣含量的增大逐渐增加,当FRP废渣含量为40份时,WPC拉伸强度为22.5MPa,增幅达到16%,FRP废渣份数在20份以上时,WPC拉伸强度增幅较为明显;FRP废渣增强WPC的原理:与PVC树脂相比,玻璃纤维承受拉伸应力的能力较强。玻璃纤维与玉米秸秆纤维均匀地分散于PVC树脂基体中,玻璃纤维与玉米秸秆纤维承受大部分的拉伸应力,玻璃纤维均匀的将载荷分散,WPC的拉伸性能明显改善。

4 结论

本论文以PVC树脂作为基体,将玻璃纤维增强不饱和树脂废渣作为功能填料,制备PVC基WPC。当FRP废渣含量为40份时,WPC拉伸强度为22.5MPa,增幅达到16%。通过扫面电镜显微分析得出,玻璃纤维均匀分散在树脂基体中,树脂承受拉应力时,玻璃纤维传递载荷,分散作用力。WPC的制备为玻璃纤维增强不饱和树脂废渣和玉米秸秆的回收利用增添了新途径。

摘要：本论文利用玉米秸秆纤维和玻璃纤维增强热固性树脂废渣制备WPC。综合利用玉米秸秆纤维和玻璃纤维增强热固性树脂废渣两者的特性,研究了二者协同增强作用对WPC力学性能的影响。当FRP废渣含量为40份时,WPC拉伸强度为22.5MPa,与未添加废渣的WPC相比,增幅达到16%,扫描电镜纤维分析得出,玻璃纤维均匀的分散在树脂基体中,形成牢固的结合面。

关键词：玻璃纤维,热固性树脂废渣,玉米秸秆,制备木塑,复合材料

参考文献

[1]H.Pirayesh and A.Khazaeian,Compos.Part B.,43,1475(2011).

热固性树脂基复合材料 篇3

关键词：建筑材料树脂基复合材料质量检测

0引言

树脂基复合材料具有比强度高、比模量大、抗疲劳性能好等优点，用于承力结构的树脂基复合材料利用的是它的这种优良的力学性能，而利用各种物理、化学和生物功能的功能复合材料，在制造和使用过程中，也必须考虑其力学性能，以保证产品的质量和使用寿命。

1树脂基复合材料在质量检测中体现出的建筑性能

1.1材料性能的可设计性树脂基复合材料的性能可根据使用要求进行设计，如要求耐水、防腐、高强，可选用树脂基复合材料。由于树脂基复合材料的重量轻，制造方便，对于大型结构和形状复杂的建筑制品，能够一次成型制造，提高建筑结构的整体性。

1.2力学性能好树脂基复合材料的力学性能可在很大范围内进行设计，由于选用的材料不同，增强材料的铺设方向和方向差异，可以获得性能判别很大的复合材料，如单向玻纤增强环氧复合材料的拉伸强度可达1000MPa以上，比钢(建筑钢)的拉伸强度还高，选用碳纤维作增强材料，制得的树脂基复合材料弹性模量可以达到建筑钢材水平，而其密度却比钢材小4～5倍。更为突出的是树脂基复合材料在制造过程中，可以根据构件受力状况局部加强，这样既可提高结构的承载能力，又能节约材料的减轻自重。

1.3装饰性好树脂基复合材料的表面光洁，可以配制成各种鲜艳的色彩，也可以制造出不同的花纹和图案，适宜制造各种装饰板、大型浮雕及工艺美术雕塑等。

1.4透光性透明玻璃钢的透光率达85％以上(与玻璃相似)，其最大特点是不易破碎，能承受荷载。用于建筑工程时可以将结构、围护及采光三者综合设计，能够达到简化采光设计，降低工程造价之目的。

1.5隔热性建筑物的作用是能够防止由热传导、热对流引起的温度变化，给人们以良好的工作和休息环境。一般建筑材料的隔热性能较差，例如普通混凝土的导热系数为1.5～2.1W(m·K)，红砖的导热系数为0.81W(m·K)，树脂基复合材料的夹层结构的导热系数为0.05～0.08W(m·K)，比普通红砖小10倍，比混凝土小20多倍。

1.6隔音性隔音效果好坏是评价建筑物质量的标准之一。但传统材料中，隔音效果好的建筑材料往往密度較大，隔热性差，运输和安装困难。树脂基复合材料的隔音性能虽然不很理想，但它有消逝振动音波及传播音波的作用，经过专门设计的夹层结构，可达到既隔音又隔热的双层效果。

1.7电性能玻璃钢具有良好的绝缘性能，它不受电磁波作用，不反射无线电波。通过设计，可使其在很宽的频段内都具有良好的透微波性能，对电通讯系统的建筑物有特殊用途，如可用于制造雷达天线罩和各种机房。

1.8耐化学腐蚀玻璃钢有很好的抗微生物作用和耐酸、碱、有机溶剂及海水腐蚀作用的能力。特别适用于化工建筑、地下建筑及水工建筑等工程。

1.9透水和吸水性玻璃钢吸湿性很低，不透水，可以用于建筑工程中的防水、给水及排水等工程。

2建筑用树脂基复合材料的应用情况

随着建筑工业的迅速发展，复合材料越来越多地被用于建筑工程：

2.1承载结构用作承载结构的复合材料建筑制品有：柱、桁架、梁、基础、承重折板、屋面板、楼板等，这些复合材料构件，主要用于化学腐蚀厂房的承重结构、高层建筑及全玻璃钢一复合材料楼房大板结构。

2.2围护结构复合材料围护结构制品有各种波纹板、夹层结构板，各种不同材料复合板，整体式和装配式折板结构和壳体结构。用作壳体结构的板材，它既是围护结构，又是承重结构。这些构件可用作工业及民用建筑的外墙板、隔墙板、防腐楼板、屋顶结构、遮阳板、天花板、薄壳结构和折板结构的组装构件。

2.3采光制品透光建筑制品有透明波形板、半透明夹层结构板、整体式和组装式采光罩等，主要用于工业厂房、民用建筑、农业温室及大型公用建筑的天窗、屋顶及围扩墙面采光等。

2.4门窗装饰材料属于此类材料制品有门窗断面复合材料拉挤型材、平板、浮雕板、复合板等，一般窗框型材用树脂玻璃钢。复合材料门窗防水、隔热、耐化学腐蚀。用于工业及民用建筑，装饰板用作墙裙、吊顶、大型浮雕等。

2.5给排水工程材料市政建设中给水、排水及污水处理工程中已大量使用复合材料制品，如各种规格的给水玻璃钢管、高位水箱、化粪池、防腐排污管等。

2.6卫生洁具材料属于此类产品的有浴盆、洗面盆、坐便盆，各种整体式、组装式卫生间等，广泛用于各类建筑的卫生工程和各种卫生间。

2.7采暖通风材料属此类复合材料制品有冷却塔、管道、板材、栅板、风机、叶片及整体成型的采暖通风制品。工程上应用的中央空调系统中的通风厨、送风管、排气管、防腐风机罩等。

2.8高层楼房屋顶建筑如旋转餐厅屋盖、异形尖顶装饰屋盖、楼房加高、球形屋盖、屋顶花园、屋顶游泳池、广告牌和广告物等。

2.9特殊建筑大跨度飞机库、各种尺寸的冷库、活动房屋、岗亭、仿古建筑、移动剧院、透微波塔楼、屏蔽房、防腐车间、水工建筑、防浪堤、太阳能房、充气建筑等。

2.10其它复合材料在建筑中的其它用途还很多，如各种家具、马路上的阴井盖、公园和运动场座椅、海滨浴场活动更衣室、公园仿古凉亭等。

3树脂改性和树脂含量的检测

在复合材料中，纤维和织物起增强作用，而树脂是基体材料。树脂基体的性能对复合材料制品的性能有直接的影响。合成树脂是摩擦材料中化学稳定性最差的组分，对材料高温下的强度和摩擦性能有直接的影响。中南工业大学刘震云等的研究结果表明，在6－14％树脂含量(质量分数)范围内，材料的冲击强度能满足使用要求。树脂含量在14％以上时，材料高温热衰退严重，导致摩擦因素下降，高温磨损加剧，磨损量上升：树脂含量过高或过低时，材料将因粘结剂量过少或树脂高温分解导致粘结力下降，使增强纤维存在拔出现象，导致摩擦因素不稳定，材料磨损加剧。因此摩擦材料中基作树脂用量不宜太多，其含量为8－12％，其中以8％为佳。检测证实采用耐热齐聚物、腰果壳油改性酚醛树脂获得了较好的摩擦性能，并且得出结论，材料的摩擦磨损性能与树脂的耐热性密切相关。在其它条件相同的情况下，随树脂耐热性的提高，材料摩擦系数的稳定性及体积磨损率均得到改善。

热固性树脂基复合材料 篇4

复合材料是从20世纪中叶发展而来的一种新材料,在国际工业和国民经济发展中起到重要作用.近年来,我国复合材料产业取得快速发展,并成为新材料产业的重要支柱.一、历史之回顾1956年赖际发部长率代表团在苏联考察学习4个月,开始认识到复合材料在国防军工上的重要作用,并把这种材料命名为“玻璃钢”,这就揭开了我国复合材料工业的`序幕.

作 者：张贵学 陈博 张凤翻 益小苏  作者单位：张贵学(国家建材局哈尔滨玻璃钢研究所)

陈博(中国复合材料工业协会)

张凤翻(浙江嘉兴中宝碳纤维有限责任公司)

热固性树脂基复合材料 篇5

飞机用ACM的低成本成型方法(Ⅲ)--热塑性树脂基复合材料的低成本成型技术、纺织技术及研究建议

1 热塑性树脂基复合材料的.低成本成型技术 热塑性树脂基复合材料(FRTP)有许多优点:具有较高的韧性,原材料可在室温下贮存,成型中没有化学反应因而成型时间短.注意到这些优点,从1980年代开始进行FRTP在飞机结构上的适用研究,然而由于成型困难,没有确立实用的成型方法,几乎没有装机实用.

作 者：泷敏美 天冈和昭  作者单位： 刊 名：复合材料学报  ISTIC EI PKU英文刊名：ACTA MATERIAE COMPOSITAE SINICA 年，卷(期)： 16(3) 分类号： 关键词： 

我国造出树脂基复合材料环保纸 篇6

山东华群新材料科技有限公司是我国第一家从事新型树脂基复合材料研发的企业, 经过三年的技术攻关, 他们掌握了这种新型造纸技术。据介绍, 制造这种新型纸张的主要原料是该企业自主研发的纳米无机粉体和无毒树脂, 通过国际先进的制造设备, 经混炼成型、多层共挤、纳米涂布等多个生产工艺制成, 生产成本要比传统纤维纸低30%以上。

记者看到, 这种纸既有传统纤维纸的特性——可印刷、书写、上色, 还有柔软坚韧、防水防油、抗撕裂、耐磨损等优点, 经印刷试验和性能测试, 可以替代传统木浆纸。该产品还可用于制作垃圾袋、化肥袋、购物袋、壁纸等90多种产品, 应用非常广泛。据介绍, 该公司研发的树脂基复合材料产品填补了国内空白, 已申请发明专利1项、实用新型专利7项, 产品质量达到国际先进水平。

热固性树脂基复合材料 篇7

风扇叶片是航空发动机中最具代表性的部件之一, 它的性能稳定性与其正常的工作状态密切相关。近些年来, 特别是80年代后期开始, 随着先进制造技术的兴起, 全新的复合材料研究技术和日新月异的计算机辅助仿真成形能力, 让设计和制造复合材料叶片达到了一个前所未有的高度, 进入了一个完全崭新的领域树。脂基复合材料风扇叶片涉及气动力学、材料、结构强度等诸多领域学科。本文基于上述方面, 在ANSYS中探讨如何设定其参数和相关层合板模型的建立, 为未来航空发动机叶片设计研制提供技术储备, 具有良好的工程借鉴意义。

1 树脂基复合材料风扇叶片的选材

风扇叶片作为航空发动机中尤为重要的动力部件, 如果其叶片本身的强度达不到要求, 在工作时发生了变形甚至断裂, 都将对飞机运行带来不可估量的后果, 严重的将导致空难的发生。

在研究树脂基复合材料的性能与特点的基础上, 综合航空发动机风扇叶片的工作性质以及受力情况, 本文选取的是树脂基复合材料。

考虑到飞机发动机在工作情况下, 风扇叶片要收到离心力、气动力、发动机振动引起的交变应力以及随机载荷等多种载荷, 叶片将产生拉伸应力、弯曲应力、扭转应力等。由于叶片受力情况复杂, 综合多种情况因素, 本文采用HT3/5224复合材料作为叶片的材料。

2 树脂基复合材料风扇叶片在ANSYS中的参数设定

本文中, 叶片采用的材料类型是复合材料。所以, 在单元类型的选取上, 要综合复合材料的特点进行选取, 尽量选择能够满足复合材料特性的单元类型。因此, 本文采用的是8节点层状结构单元SOLID46作为复合材料叶片的单元。

SOLID46单元是8节点3D单元SOLID45的一种层叠形式, 每个节点有3个自由度, 每个单元最多允许250层的等厚度复合材料, 同样允许125层厚度在单元面内成双线性变化的不等厚度材料层。该单元的另一个特点是可以用几个单元叠加的方式对多于250层的复合材料建模, 并允许沿厚度方向的横向变形斜率可以不连续, 而且用户可以输入自定义的本构矩阵。

复合材料最重要的就是其叠层结构。每层材料都可能由不同的正交各向异性材料构成, 并且其主方向也可能各不相同。这里, Number of Layers最大允许250层, 设置为20层, Layer Symmetry Key代表对称开关的意思, 设为1 (其他表示不对称) , 如图1所示。

对于每一层的材料, 可以定义如下性质:材料性质, 通过材料参考号MAT来定义, 这里默认是1;层的定向角 (THETA) , 根据复合材料的特性, 将其对称铺叠, 这里定义角度为0°、+45°、-45°、90°。本文设计的复合材料铺层结构, 本质上是一种层合板结构, 即叶片由若干树脂基复合材料, 单层按照一定的角度顺序铺叠而成。初步定义铺层数目是6层。为了降低叶片结构的各向异性, 采用对称铺叠分布。所以, 这里设计角度为3个。在实际工作情况中, 常用的铺层角度为0°、+45°、-45°、90°。层的厚度 (TK) , 统一定义为每层0.125mm。

这里, 选择材料是正交各向异性材料。只有9个弹性系数, 要在3个方向X、Y、Z上设置弹性模量、剪切模量和泊松比, 并定义好单层属性。由于每层都一样, 其余层属性与此相同。

划分网格的方式采取映射划分网格, 控制顶面的网格数量。这样划分的网格比较完好, 不会出现坏网格和不能计算的点出现。从顶部可以看出, 叶片结构是层状的, 与我们选取的SOLID46层状单元相符。将所建立的有限元模型顶部的图放大来看, 可以看出, 叶片呈现层状排布, 层与层之间的夹角可以从图2中看到。这里, 只选取了随机4个。可以在图中明显看出, 经过放大之后, 叶片是层状结构体, 与传统的叶片造型有着很大的不同。

在网格划分完成后, 可以查看单元的铺层结构。选择plot-layered elements, 弹出单元拾取对话框;任意选取某个单元, 可以看到如图3所示的单元铺层结构。在此可直观看到叶片上每一个单元的结构组成, 层与层之间有着不同的夹角, 这是传统叶型所没有的。同时, 从如3中可以看出每个单元都有20层结构, 并按照最初设定的铺层顺序堆成铺叠而成, 角度顺序完全一致, 可以认为设定成功。

3 结束语

本文讨论的树脂基复合材料风扇叶片, 本质上是一种纤维增强复合材料层合板结构, 即叶片由许多树脂基复合材料单层按一定角度顺序铺叠而成。在这以前, 很少有文献专门介绍如何建立这种复合材料层合板类型结构的叶片。本文从参数设定, 到建立模型, 再到最后的加载, 一体化操作完成了复合材料层合板的构建, 确定了各项参数。总结其关键点, 主要在于两点:第一, 层合板模型的体现, 重点是单元类型的选取以及后续参数的设定;第二, 铺层角度的选择, 为了降低材料的各向异性, 铺层角度的重要性尤为明显, 铺层顺序可以有效降低叶片的共振裕度。

摘要：在深入研究复合材料材料属性和设计准则的基础上, 提出采用树脂基复合材料作为航空发动机风扇叶片的材料, 用ANSYS软件建立其复合材料层合板单元结构模型, 将其参数完整设定, 并进行初步的仿真加载。

关键词：树脂基材料,风扇叶片,ANSYS,建模

参考文献

[1]梁春华, 杨锐.航空发动机宽弦空心风扇叶片的发展及应用[J].航空发动机, 1999, (2) :54-58.

[2]梁春华, 李宏新, 凌瑶.先进航空涡扇发动机风扇/压气机先进结构与新材料[J].航空制造技术, 2007, (1) :60-63.

热固性树脂基复合材料 篇8

硼改性酚醛树脂 (BPF) 由于具备较好的防氧化性、耐高温性、分解时无毒性气体挥发以及较高的力学性能等特点[6], 成为在大中型农业机械装备中, 应用较为广泛的复合摩擦材料之一。当前, 在其合成和制备方面的有关研究有很多。其中主要是对硼元素引入, 不同的硼含量和合成工艺条件对其性能影响的研究, 而关于不同硼改性酚醛树脂含量对摩擦材料影响的研究很少[7]。本文比较探究了不同硼改性酚醛树脂含量下摩擦材料的摩擦磨损性能和热性能等规律, 归纳总结了硼改性酚醛树脂含量对摩擦材料各项性能的影响。

1 试验部分

1.1 实验材料与配方

本论文实验原材料见表1, 实验分成五组对比试验, 制备不同硼改性酚醛树脂/填料比例的复合材料。每份样品总质量160克, 编号为D1、D2、D3、D4、D5, 分别对应硼改性酚醛树脂含量10%、15%、20%、25%、30%, 由此可以比较出最佳配方比, 具体配方见表2。

1.2 试样制备

取适量碳粉、石墨、碳酸钙 (Ca CO3) 、石墨、Si O2、Al2O3、碳化硅 (Si C) , 碳纤维、陶纤和芳纶用1%的KH550硅烷偶联剂, 并用功率为80W, 频率为40k Hz的超声波对它们进行复合处理, 处理时间30min, 烘干;利用高速混料机将不同含量 (10%、15%、20%、25%和30%) 的硼改性酚醛树脂、处理的碳粉、石墨和其它配料混合;采用模压法压制成型, 模压温度180℃, 模压压力30MPa, 保温保压15min。

注:填料分别是碳酸钙 (Ca CO3) 、石墨、Si O2、Al2O3、碳化硅 (Si C) 。

1.3 试验方法

用DH-300型电子比重计 (东莞宏拓仪器有限公司) 测量复合摩擦材料的密度;用XHR-150型塑料洛氏硬度计 (上海联尔试验设备有限公司) 按GB/T5766-2007测量复合摩擦材料的洛氏硬度;用CSS-44100型电子万能材料试验机 (长春试验机研究所) 按GB/T1448-2005测量复合摩擦材料的压缩强度;用XD-MSM型定速式摩擦试样机 (西安明克斯检测设备有限公司) 按GB5763-2008测量复合摩擦材料摩擦系数和磨损量;以上结果均为三次的平均值。采用S-4800型扫描电子显微镜 (上海日立高新技术贸易有限公司) 观察磨损表面的微观形貌;用耐驰STA449F3型综合热分析仪 (德国耐驰仪器制造有限公司) 分析复合摩擦材料热稳定性能;利用低温热膨胀仪测量材料的线膨胀系数。

2 结果与讨论

2.1 树脂基体含量对材料物理和力学性能的影响

图1为不同树脂基体含量摩擦材料的密度、硬度、压缩强度和冲击强度对比图。由图1可以看出, 随着BPF含量逐渐增加, 密度逐渐减小, 且D1密度最大, 为1.723g/cm3, B5密度最小, 为1.633g/cm3。随着树脂基体含量的增大, 摩擦材料的密度逐渐减小, 原因在于, 其他组分不变时, 当树脂基体含量增加, 材料中相对比重较大的填料减少, 从而导致密度减小。当树脂基体含量增加时, 复合摩擦材料的硬度、压缩强度以及冲击强度先增大后减小, 其中D1硬度最小, 为72.8HRL, D4硬度达到最大值, 为90.5HRL, 压缩强度以及冲击强度D4值最大分别为146.9MPa和4.028KJ/m2。这可能是因为在树脂含量较低时, 树脂作为基体不能完全将增强纤维及填料很好的粘结起来, 所以随着基体含量的增加, 增强纤维及填料可以更好地粘结在一起, 从而力学强度越来越大。但树脂基体含量过高时, 将会产生多余的纯树脂作为单一相存在, 其力学性能较差, 从而降低了摩擦材料的整体力学性能, 由此可以得出当树脂基体含量为25%时, 材料力学性能较好。

2.2 树脂基体含量对材料摩擦磨损性能的影响

图2为不同温度下, 不同BPF含量摩擦材料的摩系和磨损量变化曲线图。图3为不同载荷下, 不同BPF含量摩擦材料的摩系和磨损量变化曲线图。从图2可以看出, 摩擦材料中BPF的含量对其磨擦磨损方面具有显著的影响;图3可以看出, 载荷也显著改变了材料的摩系和磨损量。

2.2.1 不同温度下对摩擦系数的影响。

由图2 (a) 可知, D1, D2和D3三组试样在室温和100℃时, 其摩擦系数均低于D4和D5组试样。温度在200℃以下, 各组试样的摩擦系数基本随温度升高而增大, 除D3组试样在150℃时达到最大值, 其余试样均在200℃条件下摩擦系数达到最大值, 但当温度超过200℃后, 各组试样的摩擦系数均开始下降, 说明摩擦材料存在热衰退现象。低硼改性酚醛树脂含量的三组试样在温度从200℃升高到250℃时, 摩擦系数变化相对较大, 之后随温度变化并不明显, 说明低硼改性酚醛树脂含量的摩擦材料热衰退率较低。而高含量试样D4和D5的摩擦系数在250℃时有所下降, 超过250℃后摩擦系数急剧降低, 最后均低于0.25, 说明其热衰退率较高。这可能是因为当摩擦材料中BPF组分相对含量较大时, 树脂高温热分解相对较为容易, 产生了大量的气体和焦油状物质, 降低了有效接触压力并对摩擦表面起到了润滑作用, 从而导致摩擦系数下降[8]。当温度达到350℃时, 复合摩擦材料的摩擦系数均小于室温条件, 其中基体含量为15%的复合摩擦材料其摩擦系数浮动最小, 其摩擦系数对温度有较好的稳定性。

2.2.2 不同温度下对磨损量的影响。

由图2 (b) 可知, 各组试样在200℃以下, 磨损量都较低且变化不大, BPF含量高的试样比含量低的磨损量相对较少;超过200℃各组试样磨损量都明显有所增加, D4和D5的磨损量在数值上以及波动范围上都明显大于其它三组低含量试样。这可能是因为低温条件下, BPF含量高的摩擦材料硬度相对较大, 故同一载荷下含量高的材料磨损量相对较少。随着温度的提升, BPF含量越高的摩擦材料磨损量增大速率越高, 这可能是因为温度越高, 树脂热分解现象加剧, 导致材料表面各组分间粘结不牢靠, 硬度降低, 在载荷作用下表现为表面松动导致磨损量增大。摩擦材料中树脂含量越高, 热分解对其磨损量的影响越大。而D1组摩擦材料在300℃到350℃时, 磨损量也明显增大, 这可能是因为该组试样中树脂含量本来就很低, 高温热分解后残余量过少, 树脂失去了胶粘作用, 摩擦磨损过程中填料大量裸露出来, 导致成块填料甚至整条纤维脱落, 故磨损量在该温度范围内上升较快。

对比各组试样的磨损量变化曲线可以看出, 含量15%的摩擦材料的磨损量较少, 且随温度的提升变化范围最小, 最平稳。

2.3 磨损表面形貌及摩擦磨损机理分析

图3分别为各组试样室温和高温下的表面微观磨损形貌。由图可以看出, 在室温下, 各组试样的磨损表面均分布着少量的剥落凹坑和犁沟, 并且沿着犁沟有剥落凹坑带, 其磨损方式主要为黏着转移和犁削磨损[9]。随着摩擦材料中BPF含量的增加, 摩擦磨损表面上剥落凹坑数量明显减少, 犁沟也更浅, 这可能是由于随着BPF含量的增加, 摩擦材料硬度逐渐升高, 摩擦磨损过程中表面的剥落相对较少。此时, 比较得出D5的摩擦磨损表面最平滑, 性能最佳。

高温时, 各组试样表面的磨损都十分严重, 存在大量剥落凹坑, 成长条状或块状, 同时在凹坑附近存在大量剥落颗粒和裸露纤维, 犁沟也比室温下深很多。这可能是由于BPF受热分解, 使树脂的粘结作用大大削弱, 树脂不能很好地包裹住纤维, 使其极易剥落为磨屑。因此, 此时是黏着磨损和剥层磨损。

对比各组图片可以看出, 随着BPF含量的增加, 材料磨损表面越来越差。D1, D2和D3试样凹坑和犁沟的个数相比于D4和D5试样较少, 深度也较浅, D5的摩擦表面磨损最为严重, 出现了崩坏现象, 两处大范围的深度凹坑, 大量的剥落颗粒和裸露纤维, D2的摩擦表面比其它四组试样较为平整, 但与常温下各组试样的摩擦磨损形貌相比仍更差。这可能是由于摩擦材料中BPF在高温下热分解严重, 导致材料粘结力降低, 摩擦材料受到犁切作用时, 摩损表面易分解为大量细小的不规则磨屑, 并导致大量纤维裸露, 磨屑在对偶件的犁切作用向两侧堆积, 从而无法形成均匀的摩擦表面, 导致加剧磨损。D2硼改性酚醛树脂含量较低, 在高温下的热分解对摩擦材料影响不明显, 因此摩擦表面仍较为平整, D1摩擦磨损表面较差, 可能是因为摩擦材料中BPF含量过低, 相应填料中的纤维含量较大, 摩擦过程中纤维更容易拔出、断裂或脱落而导致磨粒磨损更加剧烈, 导致磨损加剧。

2.4 树脂基体含量对复合摩擦材料热性能的影响

图4是热失重 (TG) 曲线。由图4分析结果看出, 失重过程有4个阶段:第一阶段是50℃到350℃, 一般摩擦材料在这一阶段不会发生质量损失, 因此此时的质量损失主要由于BPF固化反应过程中水份挥发以及未参加反应的单体释放所致。第二阶段是350℃到450℃, 该阶段摩擦材料体系中硼改性酚醛树脂开始分解释放小分子。第三阶段是450℃到550℃, 这一阶段各组试样失重速度都加快, 摩擦材料中树脂剧烈热分解, 该阶段为主要降解的阶段。第四阶段是550℃到700℃, 这可能是BPF进一步裂解所致。

对比5组试样热重曲线, D5失重随温度变化最明显, 且速度最大, 在300℃左右便开始分解, 而其它四组试样在400℃左右才开始明显分解, 且失重速度明显低于D1。另外从图中还可以看出, D5在700℃时残余质量最少, 说明其热分解最严重, 试样D2, D3和D4的TG曲线随温度变化的整个过程中基本相互重叠, D1的前两个阶段和D2, D3和D4曲线基本一致, 超过550℃后热失重速度明显低于其他试样, 700℃时残余质量最大, 说明D1试样的热性能最优。

综上分析, 摩擦材料由于BPF的引入在高温下发生热分解, 由于摩擦材料中其它填料高温分解现象并不明显, 导致摩擦材料中BPF含量越高热分解加剧, 破坏了摩擦材料的整体性, 导致其耐热性随BPF含量的增大而逐渐降低。

2.5 热膨胀分析

由于摩擦材料体系内存在多种不同组元, 其中B相和其他相的热膨胀系数不同, 其内部必然会有失配问题。而失配产生的残余应力会降低其综合性能, 故对热膨胀系数进行测量显得十分重要。热膨胀系数包括线、面和体膨胀系数, 针对树脂基摩擦材料, 主要通过测量线膨胀系数体现材料的热稳定性。线膨胀系数只是温度的函数, 反映材料的尺寸稳定性, 数值越小, 尺寸稳定性越高。

由图5可知, 随着温度的提升, 不同BPF含量摩擦材料的线膨胀系数都有所上升。

温度在30℃以下, 各组材料的线膨胀值上下波动但变化较小, 温度超过30℃后, D1和D2变化仍不大, 维持在5~8×10-6/℃, 而其它3组BPF含量较高的摩擦材料开始明显上升, 最后几乎成线性变化。分析原因可能是:摩擦材料的线膨胀系数主要由基体和增强体影响, 而基体的数值通常大于填料。高温条件下制备的摩擦材料, 冷却时基体收缩。收缩过程中基体起粘结作用, 将填料牢牢裹住, 同时基体受到填料的抑制, 并产生界面抗压应力。当摩擦材料处于高温下, 两相界面间的抗压应力就会降低, 所以随着温度的提升, 材料的线膨胀系数均增大。由图可以看出, BPF含量越高, 高温下其线膨胀值波动越大。这可能是因为摩擦材料中BPF含量越高, 填料的含量相对就越少, 使得大部分填料都能很好的被树脂包裹。但是在高温环境下, 摩擦材料中的树脂发生热分解, BPF含量越高热分解现象越严重, 使得有更多的填料被孤立分散, 原本被包裹的填料裸露出来。裸露出的填料成纤维状, 与基体的接触表面积大大减少, 导致填料对基体的界面约束力降低, 从而使摩擦材料线膨胀系数上升。而低BPF含量的摩擦材料中, 树脂含量低热分解现象不明显, 由于树脂粘结作用好, 界面约束力强, 故摩擦材料的线膨胀系数小且平稳。

综上可见, BPF的含量越大, 摩擦材料的线膨胀系数越大, 在温度升高时波动越大, 摩擦材料的热稳定性越差。

3 总结

1) 随BPF含量的增加, 材料的密度递减, 硬度、压缩强度和冲击强度先增加再减小, 含量为25%的摩擦材料力学性能最优。

2) 不同BPF含量的摩擦材料的摩擦系数随温度的提升均先增大再减少;低温和中温时树脂基体含量高的摩擦系数较大, 高温时树脂基体含量较低的摩擦系数较大, 其中树脂基体含量为15%的摩擦材料的摩擦系数对温度的稳定性最好;各组试样磨损量随温度的提升均有所增大, 其中含量为15%的摩擦材料的磨损量较少, 且随温度的提升变化范围最小, 最平稳。

3) 随BPF含量的增加, 摩擦材料的线膨胀系数增大, 材料的高温尺寸稳定性变差。

参考文献

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热固性树脂基复合材料 篇9

CaSO4晶须增强树脂基复合摩擦材料作为一种具有广阔发展前景的新型汽车制动材料,在CaSO4晶须优异的理化性能以及独特的增韧补强作用下[8],表现出摩擦性能稳定、抗热衰退性强、密度低、性价比高以及环保无污染等优异性能[9,10],但该材料用作汽车制动材料且在特殊工况下的摩擦学性能表现有待进一步研究。鉴于此,本文作者在课题组前期研究的基础上,制备出一种CaSO4晶须增强树脂基复合摩擦材料,且为更好地反映该材料在特殊工况下的摩擦学性能,而选用一种市售材料作对比,基于长下坡重复制动工况系统地研究两种材料在不同制动频率条件下摩擦磨损性能的变化规律,并分析其磨损机理。

1 实验材料与方法

1.1 原材料

以日本住友生产的工业型腰果壳油改性酚醛树脂为基体,添加量为10%~12%(质量分数,下同),其固化温度为150℃,游离酚≤5%;添加15% ~20% 的CaSO4晶须作为增强体,为洛阳亮东非金属材料有限公司提供,其外观为白色蓬松状粉末,显微镜下为短切纤维状或针状单晶体,相对密度为2.96g/cm3,纯度≥98%;填料为7.5%左右的Q/HG3396型Al2O3颗粒以及8%的长石粉,长石粉是一种性能稳定、价格低廉的铝硅酸盐类矿物质;而摩擦性能调节剂为6%左右的铜粉以及2%左右的石墨。所选的市售制动材料为山东省某知名厂家生产的刹车片,通过EDAX能谱仪对其表面成分进行分析(见表1)可推断该材料可能是以钢纤维为主要增强纤维,以金属氧化物和碳化物为填料的树脂基复合摩擦材料。

1.2 制备工艺

首先采用JF801S型犁耙式混料机,将预先干燥好的酚醛树脂、CaSO4晶须以及各种填料组分按最优配方比例称量后均匀混合6min左右;然后在Y32-63T四柱上压式液压机上进行热模压成型,固化温度为150~160℃,保压压力为10~15MPa,保压时间为12~15min,在制品保压前每隔10s排1次气,并连续重复5~6次;接着将热压成型出的制品放置干燥箱内进行热处理,0.5h内升温至160℃,保温12h后随炉冷却得到性能趋于稳定的CaSO4晶须增强树脂基复合摩擦材料;最后经过机加工得到摩擦试验机所需尺寸规格的试样。

1.3 摩擦磨损性能测试

在XYC-A型CHASE摩擦试验机上进行摩擦磨损实验,通过气动伺服系统对试样加载制动压力。对偶件为铸铁材料,与试样组成的摩擦副及相关规格尺寸见图1。在测试实验前,应对试验鼓摩擦表面进行打磨抛光处理,而试样需要依据SAE-J661标准实验程序在CHASE设备进行磨合,磨合时间根据试样与试验鼓的有效接触面积(≥95%)来确定,实验条件为干摩擦。实验过程中试样的摩擦因数以及摩擦表面温度由试验机自动采集记录。

参照公路工程技术标准JTG/B01-2003,在制动压力323N、制动速率70km/h、主轴转速602r/min、初始制动温度30℃、加载时间5s、卸载时间15s的实验条件下研究不同制动频率对两种材料摩擦学性能的影响。采用XHRD-150 型洛氏硬度计按照GB/T5766-2007标准在试样摩擦表面选取3个点测量其平均硬度值;用精确至0.001mg的FA2004电子天平测量各试样实验前后的质量,来计算质量磨损;分别采用Nova NanoSEM 230 型场发射扫描电子显微镜及EDAX能谱仪观测试样磨损表面形貌及表面化学成分变化。为了方便实验数据记录和分析,将CaSO4晶须增强树脂基复合摩擦材料试样编号为A,而市售材料试样编号为B。

2 结果与分析

2.1 制动频率对试样摩擦因数的影响

图2所示为试样在不同制动频率条件下平均摩擦因数的变化情况。由图2可以看出:随着制动频率的增大,试样A的摩擦因数始终维持在较高水平(0.48左右),而并未出现在高频率制动以及高温状态下因树脂分解而导致的摩擦性能衰退现象,说明试样A制动材料可以在特殊工况下实现短时间内的可靠有效制动,这主要是因为CaSO4晶须具有强度高、韧性好以及耐高温等优异性能[11],在高温状态下,CaSO4晶须不发生分解和软化,且与树脂等成分均匀混合后易在内部形成纤维网[12],从而有效抑制聚合物分子链的热运动,提高材料的抗热衰退性;而试样B的摩擦因数则随着制动频率的增大出现了先降低后升高的变化规律,在制动频率为35 次时,摩擦因数降至最小值0.321,这可能是因为试样B的磨损表面形貌在制动次数为35次发生了明显的变化所致。

图3所示为两种材料在不同制动速率条件下随着制动频率的增大摩擦因数的变化情况。由图3可以看出:随着制动频率的变化,试样A的摩擦因数始终维持在0.41左右波动,而在不同制动速率下,试样A的摩擦因数并没有发生明显变化,表现出了对制动速率变化的不敏感性;而试样B的摩擦因数在制动速率为60km/h和80km/h时没有明显区别,均是随着制动频率的变化先增大而后趋于稳定,但在制动速率为100km/h时,摩擦因数大小及其波动性均明显增大。

(a)试样A;(b)试样B(a)sample A;(b)sample B

在整个实验过程,不同制动速率下,随着制动频率的增大,试样A和试样B的摩擦因数均出现了不同程度的波动,这主要是由于在循环制动过程中,摩擦副接触表面始终承受着短时周期性冲击应力的作用,处于循环加载和卸载的受力状态,摩擦表面将因此发生物质转移、塑性流动变形、裂纹的萌生与扩展、表面摩擦膜的难于形成等现象[13],从而导致接触表面变得复杂,摩擦因数波动性较大。

为了定量表征两种材料在循环制动过程中动摩擦因数的变化情况,采用摩擦因数的稳定系数α 和波动系数γ 来对其进行评价[14,15]。

式中:μmax为最大动摩擦因数;μmin为最小动摩擦因数;为平均摩擦因数。

式(1),(2)中,α和γ 值越接近1,说明摩擦材料的制动平稳性越好,产生颤动和噪音的可能性越小。

表2给出两种材料在不同制动频率条件下摩擦因数的稳定系数以及波动系数。从表中数据可以看出,在整个实验过程,试样A摩擦因数的稳定系数以及波动系数总平均值均大于试样B即αA>αB;γA>γB。由此说明:相比于试样B,试样A在循环制动过程中表现出了更加优异的制动平稳性,而且产生制动颤动和噪音的可能性更小,这恰好满足了现代高速发展的汽车行业所提出的汽车行驶舒适性,制动平稳性以及绿色环保的性能要求[16]。

2.2 制动频率对试样摩擦表面温度的影响

图4所示为两种材料在不同制动频率条件下摩擦表面平均温度的变化情况。由图4可以看出:随着制动频率的逐渐增大,试样A和试样B摩擦表面的平均温度变化均呈现出线性的上升规律,而且由于试样B材料组分中含有较多具有高热传导率的金属成分,使得试样B摩擦表面温度始终相对低于试样A摩擦表面温度。由于重复制动是一个加载和卸载交替进行的过程,在加载制动过程中,摩擦表面不断积聚由摩擦做功而产生的热量,温度上升,而在卸载过程中,摩擦表面又与周围物体以及空间环境进行热交换,摩擦表面的热量不断被扩散出去,温度下降,因此在整个实验过程,摩擦表面的温度始终处于动态平衡的状态,温度上升幅度较小,均未超过基体树脂的热分解温度(250℃),因此两种材料均未发生明显的热衰退现象。

2.3 制动频率对试样磨损率的影响

图5给出两种材料在不同制动频率条件下质量磨损率的变化情况。由图5可以看出:当制动频率≤35次时,两种材料的磨损率大约在1.25mg/次左右,均表现了良好的耐磨性;但随着制动频率的进一步增大,试样A的磨损率急剧上升至2.79mg/次,上升幅度高达86%,同样,试样B的磨损率也上升至1.82mg/次,上升幅度也达到了54.2%,这主要是由于此时摩擦表面温度较高,材料强度下降,部分树脂开始发生热分解,黏结性降低,在循环制动交变载荷的作用下,摩擦表面无法形成连续致密的摩擦膜,因此磨损率较大。当制动频率增大到80次时,试样A和试样B的磨损率进一步增大,但两者的上升幅度与制动频率为50次的相比均有明显降低,这主要是由于在高温状态下,基体树脂进一步发生热分解,产生的气体与液体将在摩擦表面形成“气-液-固”多相界面层,同时由于摩擦副相互作用增强会在摩擦表面形成转移膜,因此摩擦接触表面的润滑状态发生改变,从而缓解了磨损率的急剧上升。

由于试样A的摩擦因数较高,而且摩擦表面硬度小于试样B的摩擦表面硬度(见表4)。因此在整个实验过程,试样A的磨损率比试样B的高。但摩擦表面硬度越高,在摩擦制动过程中对对偶件所造成的损伤也将更严重,而且由于试样B含有较多的金属纤维成分,容易生锈的金属纤维易与对偶件发生黏着,破坏摩擦表面转移膜,从而造成制动不平稳[17]以及对对偶件的过量磨损,这也恰好说明了试验鼓与试样B摩擦后表面划痕更多且在制动过程中易发出啸叫的现象。因此,从性价比以及对对偶件的损伤程度考虑,试样A仍是一种具有潜力的制动材料。

2.4 磨损表面分析

图6给出两种材料在不同制动频率条件下磨损表面的SEM图片。由图6可以看出:当制动频率为20次时,由于摩擦表面温度相对较低,摩擦副接触表面微凸体间的相互作用强烈,在交变应力以及界面剪切阻力的作用下,微凸体被逐渐磨平或发生断裂和破碎,所形成的磨屑会填补表面凹坑或在摩擦表面被碾压形成摩擦膜,而没有被排出摩擦表面,因此试样A和试样B的磨损率均较低,而脱落的Al2O3以及金属氧化物等硬质颗粒则容易在制动过程中被压入摩擦表面而产生犁削作用并在表面留下清晰的沟犁痕迹。随着制动频率的增大,摩擦表面温度不断上升,树脂黏结性降低,表面塑性变形程度加剧,材料强度下降,因此表面硬质颗粒犁削作用所产生的沟犁痕迹更加明显,而且因基体材料对表面摩擦膜的支撑能力减弱,摩擦膜逐渐剥落并被排出表面,导致试样A的磨损率急剧上升,但由于CaSO4晶须的增韧补强作用,使材料各组分间的交互作用增强,摩擦接触表面较为平整,因此试样A摩擦因数仍保持在较高水平;而试样B由于摩擦温度的升高,黏着效应增强,使摩擦表面出现了剥落坑,摩擦表面变得粗糙,摩擦副实际接触面积减少,因此在该阶段试样B的摩擦因数以及磨损率均增大。

(a)20次;(b)50次;(c)80次(a)20times;(b)50times;(b)80times

当制动频率增大到80次时,试样A摩擦表面出现了大块的摩擦膜以及较细的沟犁痕迹,这主要是因为在高温状态下,由于树脂黏结性的进一步下降,部分材料发生脱落,形成大量磨屑,而磨屑同样会被碾压形成摩擦膜,但摩擦膜与基体间的结合强度较弱而容易脱落,因此磨损又进一步上升,而磨屑中的Al2O3硬质颗粒在热应力以及摩擦剪切阻力的反复作用下逐渐细化,因此沟犁痕迹变小;而试样B磨损表面的SEM照片颜色明显变暗,这是摩擦表面树脂在高温状态下发生分解的结果。

图7给出了在制动频率为80次的条件下两种材料摩擦表面摩擦膜的能谱分析结果,由图7 可以看出:试样A的摩擦膜中出现了大量的Fe元素,而试样A原材料组分中并没有Fe元素的存在,说明在摩擦过程中,试样A与对偶材料之间有较强的黏着效应,导致材料发生转移并在摩擦表面形成了转移膜,而摩擦膜在起到润滑作用的同时也能有效减少摩擦副的直接接触面积,从而缓解了磨损率的急剧上升。而相比于表1试样B原材料表面成分的分析结果可以发现,试样B在摩擦过程也与对偶材料发生了材料转移,Fe元素含量由原来的56.9% 增加至62.53%,而且摩擦膜中氧元素的含量相对于C元素含量出现了明显增多,这主要是因为试样B材料组分所含的大量金属元素在高频制动条件下由于摩擦表面温度不断上升而发生了氧化反应,并在表面形成氧化膜,而在氧化膜以及转移膜的润滑作用下,使试样B在该阶段的摩擦因数及磨损率均没有发生明显的变化。

(a)试样A;(b)试样B(a)sample A;(b)sample B

3 结论

(1)在不同制动频率条件下,由于CaSO4晶须表现出了显著的增韧补强作用,试样A的摩擦因数始终维持在较高水平0.48左右,并具有比试样B更高的稳定系数和波动系数,制动平稳可靠,无制动噪音和震颤产生,而且对制动速率的变化不敏感;而试样B的摩擦因数则是先降低后升高,而且在制动速率为100km/h时,摩擦因数大小及其波动性明显增大。

(2)在整个实验过程,试样A和试样B摩擦表面的平均温度以及质量磨损率均随着制动频率的增大而增大,但在制动频率小于35次时,两种材料的质量磨损率仅为1.25mg/次左右,均表现出良好的耐磨性。

(3)随着制动频率的增大以及摩擦表面温度的逐渐升高,试样A与对偶件间的黏着效应明显,发生了材料转移。在整个实验过程,由于CaSO4晶须起承载支撑的双重作用,试样A磨损表面相对比较平整,磨损机理以磨粒磨损为主;而试样B的金属成分发生了氧化反应,摩擦表面出现了剥落坑和微裂纹,磨损机理以黏着磨损和氧化磨损为主。

摘要：采用热模压成型工艺制备CaSO4晶须增强树脂基复合摩擦材料(试样A),并选用一种市售材料(试样B)作对比,研究制动频率对两种材料摩擦学性能的影响,利用SEM及EDAX观测磨损表面形貌与表面膜成分变化,并分析其磨损影响机理。结果表明:随着制动频率的变化,由于CaSO4晶须的增韧补强作用,试样A的摩擦因数始终维持在较高水平0.48左右,制动平稳可靠,对偶件损伤程度轻,磨损机理以磨粒磨损为主;而试样B的摩擦因数则是先降低后升高,且对制动速率的变化敏感,磨损机理以黏着磨损和氧化磨损为主。两种材料摩擦表面温度及磨损率均随着制动频率的变化而升高,但在制动频率小于35次时,两种材料均表现出良好的耐磨性。