耐磨性能（精选9篇）
耐磨性能 篇1
环氧树脂是一种较好的耐化学药品性，尤其是耐碱性突出，对各种基材有极好的粘结性，极好的韧性、硬度和柔软性，优良的耐水性，被广泛用于涂层材料，并且已经在工业中已大量使用，但由于其固化后形成较致密的芳香结构，交联密度大，内聚力高，变形能力差，往往呈脆性状态，用其制备的耐磨涂料往往无法满足性能上的要求，尤其是在较高的温度下。为进一步提高耐磨涂料的高温下耐磨性能，研发人员经过大量实验，终于找到了合适的解决方法：将环氧树脂与有机硅氧烷结合。
环氧树脂作为有机高分子成膜物质，制成的涂料在附着力、柔韧性、耐冲击性、施工性及成品储存等方面都相当优越，但是在耐高温、耐溶剂性、耐氧化性介质、抗高浓度电介质渗透方面存在着难以克服的弱点。采用特制的刚性无机填料改性环氧树脂，如：玻璃鳞片、云母、耐蚀金属片陶瓷微粉等，可以降低树脂的流动性、收缩性和固化时引起的温升，同时也提高了涂料的耐酸性、耐磨性、耐热性和导热性。这是因为，特制合成的无机填料本身硬度很高，耐磨性好，与环氧树脂、溶剂等不发生反应，在固化过程中不会有新的物质生成，且在固化中无机填料收缩很小，内应力小，再加上与环氧树脂紧密结合，形成致密保护层，从而达到增强耐磨性及硬度的目的。
(摘自九正建材网)
耐磨性能 篇2
旋风除尘器由于高速旋转运动的含尘气体对除尘器内壁的不断冲刷，使器壁受到磨损，特别是蜗壳和锥体部分磨损更为严重。首先磨穿的部位一般是在直接对着入口把气流由直线运动转为旋转运动的部位和锥体靠近排获口的地方。
一、旋风除尘器的耐磨措施
一般采用内壁贴衬耐磨衬里和涂刷耐磨涂料。它可以在除尘器内壁全面铺设，也可以在磨损严重的部位加衬。
为方便衬里施工，除尘器的直径不能太小，同时，在确定除尘器尺寸时应考虑衬里的厚度。
1、耐磨涂料
(1)对原材料的要求 耐磨涂料的原材料应能经受长期的粉尘冲刷。使用于高温系统时，应耐一定的温度。配制成的耐磨涂料通过构造措施，要与除尘器内壁有较大的结合力，并要求原材料来源方便，价格便宜。
(2)耐磨涂料的配比和养护 根据对原材料的要求，一般选用矾土熟料、烧粘土、石英砂为骨料，矾土熟料细粉为掺加料，矾土水泥、水玻璃为胶结料，工业用氟硅酸钠为促凝剂。这些原材料可配制成6种耐磨涂料：矾土水泥烧粘土、水玻璃矾土熟料、水玻璃烧粘土、矾土水泥矾土熟料、矾土水泥石英砂和水玻璃石英砂。前4种耐磨涂料使用温度在200～300℃，后两种耐磨涂料应用于200℃以下，具有良好的耐磨性能和耐腐蚀性能。
以水玻璃为胶结料的耐磨涂料，需先按配台比将矾土熟料细粉和氟硅酸钠混合均匀，然后加骨料干拌均匀，再加水玻璃湿拌均匀(水玻璃用量不可过大)，拌合到用手捏成团放开手指散成数块即可使用。施工后，宜在高于20℃的干燥条件下，干养护2～3天，然后进行烘烤。为防止耐磨层龟裂，烘烤时应逐步从50℃升至150℃，约经24小时烘烤后存放在干燥的环境中。为防止水玻璃遇水或受潮后水解、松散，绝不可浇水或在潮湿的环境下养护。
以矾土水泥为胶结料的耐磨涂料，需先按配合比将矾土水泥和烧粘土干拌均匀，然后按0.5的水灰比逐渐加水湿拌，拌合到用手捏成团放开手指散成数块即可使用。
一般拌合料的数量以施工15～30min的用量为宜。不能一次拌合过多，以免硬化。同时，不准在施工过程中另外加水玻璃或水重拌。
施工后，在硬化过程中，环境温度不得超过30℃。自硬化开始到材料温度降至与环境温度相等的时间内，必须浇水养护，一般3～7天即可使用，但绝不可用蒸气养护。
(3)耐磨涂料在除尘器内壁的固定 为了使耐磨涂料和除尘器内壁牢固地联结，并不会成片地脱落，需在除尘器内壁上增设联结结构。常用的有筋板穿铁丝固定方式和龟甲网爪钉固定方式。
筋板穿铁丝固定方式是将筋板间隔50～150mm焊在除尘器内壁上，再将直径为4mm的铁丝穿入筋板中间的直径为5mm的孔中，铁丝间距为80～100mm。铁丝应拉紧，两端焊在端头筋板上，端头筋板应倾斜放置。筋板采用厚度为3mm的扁钢。
龟甲网爪钉固定方式是将由直径l～6mm圆钢制成的爪钉按100～200mm的间距交错焊接在除尘器内壁上，再将铺好的龟甲网焊接在爪钉上。
(4)耐磨涂料的铺设 耐磨涂料需在除尘器安装前铺设于除尘器内壁上，铺设厚度一般为20mm。
耐磨涂料铺设前，需对除尘器内壁和筋板或龟甲网等固定设施的表面进行除锈打光。焊接后，必须打净所有焊皮，吹净残渣及灰尘，然后涂上一层稀浆。以水玻璃为胶结料时，稀浆用水玻璃；以矾土水泥为胶结料时，稀浆用矾土水泥素浆。最后将配制好的耐磨涂料逐段进行均匀地涂抹，最好连续施工，中间不停歇。
为保证涂料的耐磨性能，与除尘器内壁的联结，提高除尘效果和延长使用寿命，需用木锤将涂抹好的耐磨涂料拍打密实直到表面出浆为止，并用抹刀将其表面压光。同时，为保证施工质量及便于操作，最好施工完一段，转动一次除尘器壳体，使其保持在朝下的位置进行施工。在分段施工中，应使耐磨层的表面曲率连续平滑，以保证除尘效率。
2、辉绿岩铸石衬里
(1)辉绿岩铸石制品的物理化学性能和规格 辉绿岩铸石是以天然岩石配入角闪石、白云石、萤石和铬铁矿等附加料，经高温熔化、浇注成型、结晶、退火而制成。它具有较高的耐磨性和耐腐蚀性，并有较高的机械强度。适用于常温设备的衬里，但不宜应用于温度急变的场合。当温度急变时，会产生龟裂现象，甚至脱落。
(2)铸石衬里的施工 辉绿岩铸石衬里前，需将衬里设备用喷砂法、酸洗法或人工打磨进行除锈，然后用丙酮或酒精冼刷一次。干燥后立即进行薄浆涂层打底，以后在干燥的薄浆打底面上涂上厚度约3～5mm的厚浆；在焊缝处要求平整，转角处应有弧度，以利衬板。厚浆涂完后，自干一天，然后加热干燥。
浆层干燥后可在常温下用胶泥进行衬板。衬板时，以板底胶泥厚度约lO～15mm，扳间缝1～2mm为宜。配好的胶泥要求在30分钟左右用完，超过时间会使表面结膜，影响粘结强度。胶泥的配方和在衬板后的养护要求同表。
衬板后需进行酸化处理。在板表面的灰缝上用酸涂刷3～5次，第1、2次用浓度为60%左右的硫酸，每刷一次的间隔时间约一天。第3、4、5次用浓度为30%左右的稀硫酸，每刷一次的间隔时间约8～12小时。每次酸化处理前，先刷去表面析出的白色结晶物，再涂刷酸液，酸化处理后即可投产使用。
二、旋风除尘器的制造安装要求
(1)制造尺寸要准确，特别对影响除尘效率的关键尺寸，更要注意制造精度。对并联操作的多个旋风除尘器，进气管尺寸要严格一致，不然会影响处理气量的分布，从而影响除尘效率。
(2)除尘器要气密。漏风会严重影响除尘效率。一般在制造后需进行气密性试验。若多个旋风除尘器使用同一灰斗时，为防止气流在灰斗内互相串通而影响除尘效率，一般在灰斗内设置隔板，所有法兰连接处应用垫片密封。
(3)除尘器内壁要光滑。焊缝要刷平无毛刺。衬砖、板除尘器的内表面必须砌抹平整光滑。
特种丁腈橡胶耐磨性能研究 篇3
1 实验部分
1.1 主要原料
NBR,牌号3304,兰州石化公司; 炭黑,牌号N 330,河北永胜碳黑化工有限公司;纳米氧化铝,杭州万景新材料有限公司;石墨、聚四氟乙烯(PTFE)、二硫化钼(MoS2)与三类干膜润滑剂,涤新润滑公司; 其它如硫黄、促进剂、填充剂等均为市售商品。
1.2 试样制备
橡胶基本配方( 质量份)NBR:100,ZnO:5,硬脂酸:3,防老剂A:1,炭黑:50,氧化锌:5,增塑剂:10,促进剂DM:1.3,硫黄:1.2,硅烷偶联剂KH-550:2。在此基础上添加3份耐磨添加剂,分别为Al2O3、Al(OH)3、MgO、SiC、滑石粉、PTFE、石墨、MoS2。干膜润滑剂分别是PTFE、石墨、MoS2三类。
制备工艺:先将NBR在40～50℃双辊开炼机上薄通数次,再依次加入ZnO、硬脂酸、促进剂、炭黑、增塑剂、偶联剂及耐磨添加剂等,然后在155℃双辊开炼机上高温混炼约5min,冷却至室温后再加硫黄,混炼均匀后,薄通6 次,均匀下片、停放。将混炼胶在平板硫化机上于150℃硫化10min,得到硫化胶,需要时采用气压喷枪进行喷涂干膜润滑剂并加热固化成膜。参照国标GB/T 1689-1998测定其磨损量,试样外径为74.96mm,厚度为12.26mm,承受负荷为26.7N±0.2N,4100转累计行程为1.61km,每组实验3次,取平均值,实验偏差小于5%。
1.3 分析与测试
采用金坛市水北橡胶机械厂QLB型平板硫化机硫化橡胶。江苏新真威试验机有限公司WML-76型阿克隆磨耗试验机测试磨损性能,日本电子公司JSM-6490LV扫描电子显微镜( SEM)分析涂膜磨损形貌,美国Perkin Elmer红外光谱仪(Spectrum one)对涂膜磨损前后进行红外光谱分析。
2 结果与讨论
2.1 添加剂对橡胶磨损性能影响
在基础配方中分别添加Al2O3、Al(OH)3、MgO、SiC和滑石粉之后,试样在不同试验阶段的磨损质量如图1所示。从图1可看出,与未添加相比,固体颗粒减磨效果存在差异,Al2O3使橡胶耐磨损性未发生变化,Al(OH)3和MgO使磨损量降低,而SiC和滑石粉使橡胶的磨损量增大。其中添加滑石粉的磨损量增大了40%,添加Al(OH)3后磨损量由0.314g降低至0.272g,降低了13%以上。相关文献显示,添加固体润滑组分的硫化丁腈胶摩擦系数明显降低,且在低速区和高速区均无啸叫现象发生[5],因而进一步研究了添加固体润滑组分对于橡胶耐磨性影响。
图2为基础配方中分别添加石墨、MoS2和PTFE之后试样的阶段磨损质量。从图2可以看出,与未添加相比,PTFE使磨损质量降低了16%,而石墨与MoS2使其磨损质量显著增大,分别增加20%和63%。固体润滑剂石墨和MoS2的加入使得磨损质量并未减小反而增大,可能润滑剂与橡胶的相容性欠佳,界面结合不牢固,在粗糙的磨轮表面摩擦时易被磨损,因而该体系中加入3%石墨和MoS2不能改善胶料的耐磨性,与相关文献[12]结论类似,本方法进一步试验上述三类固体润滑涂膜的性能影响。
2.2 固体润滑涂膜对橡胶磨损性能影响
在基础配方中未添加与添加Al(OH)3之后,分别喷涂三类干膜润滑剂形成涂膜,磨损总质量对比如图3所示。基材未添加Al(OH)3时,三类涂膜试样磨损质量均下降,MoS2、PTFE和石墨涂膜分别下降80%、48%和15%;而基材添加Al(OH)3时,三类涂膜试样存在差异性,MoS2和PTFE磨损质量分别下降50%和55%,石墨涂膜试样磨损质量反而增加50%,其中PTFE涂膜与基材填充配合磨损量降低,显示了PTFE与耐磨添加剂的减磨协同效应。
(MC、PC和GC分别代表MoS2、PTFE和石墨涂膜)
2.3 涂膜表面形貌观察
在基础配方橡胶表面三类涂膜的磨损形貌如图4所示。从图4可看出,三类涂膜磨损后形貌差异较大,PTFE涂膜(a)表面呈现较规则的放射状结构,PTFE与其它材料对磨时,既能在表面形成定向膜,又能在对磨面以库仑力和范德华力形成一层20～30nm厚的转移膜,使之变为PTFE之间的摩擦,显示润滑耐磨效果[13]。MoS2涂膜(b)磨损后形成了较光滑的表面,有效地降低摩擦;而石墨涂膜(c)表面出现较大波纹裂隙,显示粘着磨损较严重,导致其磨损量较大,根据Bowden的粘着理论:f=τf/Hb(τf为转移膜的抗剪切强度),若填料的加入不能有效地降低材料的τf,而引起材料Hb下降较大,将导致材料摩擦系数f升高,从而导致磨损增加。MoS2粉体摩擦在磨痕表面成膜的过程与石墨类似[14],在本实验条件下表现出不同的磨损行为,故而进一步分析了二者在磨损前后的红外光谱。
2.4 石墨与MoS2涂膜磨损前后红外分析
石墨(GB、GA)与MoS2(MB、MA)涂膜磨损前后红外图谱如图5所示。对比石墨涂膜图谱可以看出,在磨损试验前后组分没有发生明显变化;对比MoS2涂膜图谱可以看出,MoS2涂膜在磨损试验前后图谱出现变化,表现为磨损后MA图谱分别在971cm-1、1003cm-1和3400cm-1附近出现了较强的特征吸收峰,3400cm-1强而宽的吸收带为缔合-OH峰,1637cm-1结合水羟基吸收峰,1003cm-1为粘结基体硅氧烷中Si-O-Si的特征吸收峰,说明表面摩擦过程中与粘结基体反应形成了有利于提高基体树脂耐磨性能的类似SiO2物质,同时该过程有利于涂膜润滑作用发挥[15]。
3 结论
(1)在丁腈橡胶基体中添加3%的粉体和润滑剂磨损性能存在差异,其中Al(OH)3和PTFE分别使磨损质量降低13%和16%;而添加石墨或MoS2使得其磨损质量分别增加20%和63%。
(2)橡胶基体表面涂膜均能实现减磨效果,MoS2、PTFE和石墨涂膜磨损量分别下降80%、48%和15%;基体填充Al(OH)3之后,涂膜表现不同的性能,其中MoS2和PTFE仍具有较好的减磨效果。
耐磨地坪施工合同 篇4
承接包方(乙方)：
根据《中华人民共和国合同法》，结合本工程具体情况，本着自愿、平等的原则，经双方协商一致，签定本合同。
第一条项目内容：
工程名称：环氧砂浆地坪
第二条工程概括：
1、单价：环氧砂浆地坪40元/㎡(此价格含普通发票。)
2、面积以实际测量为准。
3、本工程采用包工包料形式，乙方包括主材环氧树脂的提供与施工，施工工艺为一遍打磨，一遍底漆，一遍砂浆，一遍打磨，一遍腻子，滚涂一遍面漆。
4、漆膜颜色：绿色
第三条付款方式与期限
工程款按实际测量面积结算：完工后，甲方一次性结清工程款项。
第四条甲方代表及甲方责任
一、甲方代表
甲方委托____先生为甲方代表，按合同约定，全权负责甲方工作的实施，
二、甲方责任
1、乙方委派___先生为乙方代表，按合同约定，全面负责乙方工作的实施。
甲方责任：
1、确定地坪达到施工条件3天前，向乙方发出书面或电话进场通知;
2、正式施工前，甲乙双方共同参加施工说明及现场技术要求交底;
3、施工前将场地物料挪开、清理。
第五条乙方代表与乙方责任
一、乙方代表
乙方委派先生为乙方代表，按合同约定，全面负责乙方工作的实施。
二、乙方责任
1、乙方在进入甲方工厂后，应遵守甲方厂区管理，签订《安全守则》。
2、按章按序施工，及时向甲方代表或监理单位申报验收已完工区域，有责任维护已完工地坪。
3、乙方应充分考虑和落实有关施工安全措施，因忽视或违章操作而造成的损失，由乙方承担责任;出现安全事故由乙方承担责任。
4、遵守国家法律法规和工地现场施工管理规定，文明施工。
5、按要求在施工期内完成工程，若有特殊情况延迟工程交期，应与甲方协商沟通，否则延迟一天扣2%工程款。
第六条保修服务
施工完毕后12个月内，由乙方施工所引起的工程质量问题由乙方提供免费修补服务;保修期满后，维修服务由甲乙双方协商解决，费用另议。施工前乙方已查看甲方施工现场并已全面清楚施工现场各因素，确保甲方现场已达到施工要求和条件
发包方(盖章)： 承接方(盖章)：
耐磨性能 篇5
“膜”出让金属涂层告别硬而脆
“这是我们开发出来的新型非晶碳基纳米多层膜, 它已经获得美国及欧盟的发明专利。”产品开发者亦庄开发区海外高层次人才、中奥汇成技术总监涂江平表示, 目前中奥汇成已经将其产业化, 明年有望拿到产品的上市批文, 量产后的年产值可达3亿元。
为了抗摩擦磨损, 金属的表面一般都有涂层, 也被称作镀膜, 但是长久以来, 有一个问题, 那就是涂层的硬度增加了, 但是硬了就容易脆, 附着率就不高, 特容易脱落。
从上大学到读博士, 一直在金属材料专业就读的涂江平, 研究的就是金属材料表面薄膜 (涂层) 的制备, 他设计和制备了一系列新型减摩耐磨纳米复合薄膜, 提出了采用较高sp2键结构的非晶态碳纳米多层结构膜改善钛合金表面摩擦磨损性能, 在合金表面设计和制备了减摩耐磨性能优异的纳米多层膜;解决了金属表面传统类金刚石 (DLC) 薄膜与基体结合力低的难题。
“膜”入医疗打造超耐磨人工髋关节
涂江平的研究成果, 在发小金攻的眼里一直是“金疙瘩”, 想将其实现产业化。
在北京的金攻偶然获悉, 由于近年来越来越多的人开始接受人工髋关节置换手术, 但是由于目前人工髋关节的膜抗磨性差, 一些病人不得不多次接受手术, 这不仅给病人造成了痛苦, 也给治疗技术带来了难题, 医院急需抗磨性的人工髋关节。
于是, 金攻立刻想到了涂江平的研究成果, 两人一拍即合, 决定成立中奥汇成生物材料科技有限公司, 将这个纳米多层膜镀膜引入生物领域, 涂江平将其原有材料中有可能对人体造成危害的金属物质去掉, 以安全性为前提, 将具有多项自主知识产权技术的非晶碳基纳米多层膜镀覆于人工髋关节头, 以解决人工髋关节的摩擦磨损问题, 并于2011年顺利申报“十二五”国家科技支撑计划项目。“膜”到未来使公司获得融资即将上市。
有技术, 怎么让产品从实验室走向生产线, 规模工艺怎么解决?中奥汇成自主设计并在国外订制了全球唯一的一台低温磁控溅射镀膜机, 突破了软基体上一次成膜的技术瓶颈。
涂江平告诉记者, 目前通过该设备生产的超耐磨人工髋关节已经通过相关部门的生物鉴定, 正在接受临床验证, 按照目前的测试推算, 人工髋关节的使用可以达到50年, 比现在最好的镀膜产品寿命翻了一倍还多。
耐磨性能 篇6
等离子喷涂工艺对涂层性能具有重要影响。Mo涂层制备过程中, 过程氧化对涂层性能影响很大。本实验通过研究Mo涂层组织结构与成分, 进而研究过程氧化对Mo涂层在干摩擦与油润滑摩擦条件下的耐磨性能的影响, 从而为Mo涂层的深入开发提供依据。
1 实验
等离子喷涂基体材料选择规格为100 mm×50 mm×10mm的A3钢板。喷涂前对样品板进行除油和喷砂处理, 喷砂压力为0.35 MPa。等离子喷涂采用MF-P-1500型高能等离子喷涂设备。枪嘴形貌如图1所示。喷涂粉末为粒度为25~45μm的纯Mo粉末, 喷涂粉末细小均匀, 粉末形貌如图2所示。等离子喷涂工艺如表1所示。通过氧氮测定仪来测试涂层中的氧含量。用Spraywatch 3i系统测量喷涂过程中的粒子速度。
涂层的可磨耗性能试验在SUGA轮式磨耗试验机上进行。样品规格为70mm×40mm×10mm的A3钢板, Mo涂层厚度0.5mm。选用320#的SiC砂纸带, 压力为20N, 往复速度为40次/min。砂纸轮转动1周, 往复磨损400回, 更换砂纸, 一轮磨损完成。每次摩擦磨损试验后, 用超声波清洗样品, 再用压缩空气吹干净表面, 用精度为0.1mg的分析天平测量磨损失重。每组样品磨损5轮, 取平均值。
为了研究Mo涂层储油效果对摩擦系数的影响, 本实验设计了浸油条件下的摩擦磨损, 即把摩擦磨损样品在润滑油中浸泡3h, 取出后擦干表面残余润滑油, 然后放入摩擦磨损试验仪中进行对磨试验。采用美国CETR UMT-3摩擦磨损仪, 样品为Φ31.7mm×15mm的圆片, Mo涂层厚度为0.5mm。摩擦磨损对磨销材料为淬火态GCr15;磨损直径Φ18mm;转速100r/min;载荷压力80N, 摩擦磨损时间30min。
2 结果与讨论
2.1 涂层的组织结构
图3为Mo涂层形貌图, 可以看出等离子喷涂Mo涂层层状组织明显, 气孔较多, 界面均匀连续, 无明显未熔颗粒或夹杂等缺陷。
等离子喷涂过程中, Mo粒子喷涂速度较慢, 用Spraywatch测量喷涂过程中的Mo粒子飞行速度为70~90mm/s, 熔融Mo粒子撞击基体的动能较低, 撞击基体时, 扁平化程度较低, 因而层状组织明显。
在喷涂功率一定的条件下, 通过适当增加喷涂距离, 延长粒子在焰流中的飞行时间, 获得了不同孔隙率和氧化物含量的Mo涂层, 如表2所示。
Mo涂层在常压等离子喷涂过程中容易产生过程氧化[7,8]。对等离子喷涂的Mo涂层进行XRD分析, 发现涂层内部除Mo元素外, 还有MoO2峰出现, 如图4所示。MoO2是Mo在等离子喷涂过程中过程氧化的产物。在等离子喷涂过程中, 钼粒子飞行时间很短, 钼粒子飞行过程中, 一部分发生了氧化。当熔融Mo粒子撞击在基体上扁平化之后, 由于Mo粒子放热以及等离子气氛对基体的加热作用, 形成的涂层在短时间内能够继续发生氧化[9]。Mo涂层在整个涂层生成和冷却过程中, 过程氧化形成的MoO2硬质相弥散分布在涂层中间, 这对于提高涂层的显微硬度和耐磨性能都有积极作用[10]。
图5为Mo涂层显微硬度比较图, 可以看出不同氧含量的Mo涂层显微硬度不同, 氧含量越高的Mo涂层显微硬度也越高。涂层中的MoO2是一种硬质强化相, 在Mo涂层中弥散分布, 能够提高Mo涂层的显微硬度。
2.2 Mo涂层耐磨性能
对Mo涂层进行常温下干摩擦磨损试验, 结果如图6所示。由图6可见, 在相同磨损条件下, 氧化物含量较高的3#样品的磨损失重相对于1#、2#样品降低20%以上, 3#样品涂层耐磨性能良好。
观察干摩擦条件下Mo涂层磨损面显微图, 如图7所示, 可以看出Mo涂层划痕面上有划痕与龟裂。在砂纸往复压力运动下, 涂层表面的颗粒不断被磨削, 形成划痕。涂层中有较多的气孔、微裂纹等缺陷, 这些缺陷是天然的应力集中区域。在压应力作用下, 该种区域的裂纹能够逐渐合并连接成为一个完整的区域, 如图7中 (1) 处所示。这种区域会在后续的压力磨削作用下, 成片地脱离涂层表层, 从而在 (1) 处产生类似于 (2) 处的凹陷区域。涂层中颗粒界限边缘往往是气孔和微裂纹密集处, 剥离也最容易在此处产生。等离子喷涂的Mo涂层磨损面上发现了较大的龟裂区域, 这是涂层在切向压力与法向压力共同作用下沿着滑动发生塑性变形的结果。塑性变形达到一定程度, 也会成为裂纹的一部分, 从而进一步减弱涂层的耐磨性能。
图8为Mo涂层浸油条件下的摩擦系数曲线图。由图8可见, 1#、2#、3#样品的Mo涂层平均摩擦系数分别为0.15、0.154、0.145。气孔率较高的3#样品的平均摩擦系数最低, 且在整个摩擦磨损过程中摩擦系数基本保持一致, 没有出现大的波动。而气孔率较低的2#样品的平均摩擦系数最高, 且在摩擦磨损的后半期, 出现明显的上升趋势。1#样品摩擦系数平稳。Mo涂层气孔中存储的润滑油能够起到减缓摩擦的作用, 气孔率越高, 其存储的润滑油就越多, 在对磨销往复运动的压力下, 润滑油能够溢出磨损面表面, 在销与磨损面上产生微薄的油膜, 从而减小摩擦系数。
3 结论
等离子喷涂纯Mo粉末能够获得具有明显层状组织、气孔率较高、界面连续均匀且无明显未溶颗粒的Mo涂层。在等离子喷涂Mo时会发生过程氧化, 通过适当增加喷距的方式可提高Mo涂层的过程氧化程度。过程氧化产生的MoO2弥散分布在Mo涂层中, 能够提高涂层显微硬度和耐磨性能。另外, Mo涂层中较高的气孔率能够在油润滑条件下起到储油作用, 从而减小摩擦系数, 降低涂层磨损量。
参考文献
[1] Wang Yi, Wang Dezhi, Sun Aokui, et al.The advance on the oxidation resistance coatings of molybdenum and its alloys[J].Mater Rev:Rev, 2012, 26 (1) :137汪异, 王德志, 孙翱魁, 等.钼及其合金氧化防护涂层的研究进展[J].材料导报:综述篇, 2012, 26 (1) :137
[2] Wu X Q, Jing H M, Zheng Y G, et al.Resistance of Mobearing stainless steels and Mo-bearing stainless-steel coating tonaphthenic acid corrosion and erosion-corrosion[J].Corros Sci, 2004, 46 (4) :1013
[3] 王发展, 李大成, 孙院军, 等.钼材料及其加工[M].北京:冶金工业出版社, 2008
[4] Hakan Cetinel, Hasan Ozturk, Erdal Celik.Artificial neural network-based prediction technique for wear loss quantities in Mo coatings[J].Wear, 2006, 261 (10) :1064
[5] Xia Guangming, Yan Shuqun, Min Xiaobing, et al.Technical study and performance test of coating on synch-ring[J].Surf Techn, 2001, 30 (2) :12夏光明, 严淑群, 闵小兵, 等.制备同步环涂层工艺的研究及性能检测[J].表面技术, 2001, 30 (2) :12
[6] Jiang Chaoping.Application of molybdenum plasma coat in construction machinery[J].Maintenance Machinery Construction Techn, 2005, 22 (5) :45姜超平.钼系等离子涂层在工程机械中的应用[J].养护机械与施工技术, 2005, 22 (5) :45
[7] Goswami R, Herman H, Sampath S, et al.Plasma sprayed Mo-Mo oxide nanocomposites:Synthesis and characterization[J].Surf Coat Techn, 2001, 141 (2-3) :220
[8] Ozdemir I, Tekmena C, Okumusb S C, et al.Thermal behaviour of plasma-sprayed Mo coating on cast-iron substrate[J].Surf Coat Techn, 2003, 174-175:1064
[9] 戴达煌, 刘敏, 余志明, 等.薄膜与涂层现代表面技术[M].长沙:中南大学出版社, 2007
耐磨性能 篇7
2024铝合金为高强合金,具有良好的热处理强化效果,常用于飞机结构中,主要作为中央翼、中央翼大梁和对接型材等结构材料[1]。但是铝合金硬度低、耐磨性差,限制了其作为机械构件的应用范围[2]。
纳米晶体材料自问世以来,由于其晶粒尺寸小,界面密度高,以其独特的物理化学性能、力学性[3,4],如高的硬度、强度[5,6]和优异的摩擦、磨损性能[7,8],引起了普遍重视。表面纳米化可以使铝合金表面的晶粒细化,成为晶体材料,从而改善铝合金的耐磨性能。目前,已采用多种方法实现了铝合金表面的纳米化。张静文等[9]采用激光冲击的方法实现了铝合金的表面纳米化并提高了铝合金表面的硬度。Wen等[10]采用机械研磨的方法在铝合金表面实现纳米化,提高了铝合金的耐磨损性能。麦永津等[11]采用增压喷丸的方法使7075铝合金表面晶粒细化并提高其表面硬度。胡兰青等[12]采用高能喷丸的方法对铝合金进行表面纳米化使铝合金表面晶粒细化。然而这些方法在使铝合金表面晶粒细化的同时,还会产生大量的热量,且加工环境不环保等[13],导致铝合金表面产生不可预知的相变。超声波冷锻技术(UCFT)是最近发展的一种操作简单、加工效率高、加工过程噪音低、无粉尘无污染的表面纳米化冷加工技术,在其加工过程中工件始终处于常温状态。超声波冷锻处理后,工件表面能够获得较低的粗糙度和相对较厚较硬的表面纳米化层[13]。目前,超声波冷锻作为一种表面纳米化技术,仅应用在模具钢[13]、工具钢[14]、316不锈钢[2]和镁合金[15]上,在铝合金方面的应用还少见报道。
本工作采用超声波冷锻技术对2024铝合金进行表面纳米化处理,并分析表面纳米化对2024铝合金耐磨性能的影响。
1 试验
1.1 试样制备
试样为60 mm×60 mm×3 mm的2024铝合金,其主要成分见表1。用500,800,1 000,1 200号金刚石砂纸依次对样品表面进行打磨,打磨完毕后换绒布进行抛光处理,采用去离子水超声清洗,无水乙醇脱水,吹风机吹干装入密封袋中备用。
采用超声波表面加工装置对铝合金进行纳米化处理,超声波冷锻的原理见图1。将频率约为20 k Hz的超声振动转换成机械运动,即在加工工作头上沿表面法线方向施加一定幅度的超声机械振动,并在一定静压力和进给速度条件下,工作头将压力和超声冲击振动传递给处于旋转状态的被加工机械零部件表面,利用金属在常温状态下的冷缩性特点,使材料产生弹塑性变形,进而达到表面光滑、晶粒细化的目的。具体的工艺参数见表2。
超声波冷锻过程如下:首先,接通电源,开启超声波发生器控制开关,再打开执行机构控制开关,然后通过超声波发生器调整工作头输出振幅,并在机床上设定所需的主轴转速、进给量等加工处理参数;其次,将之前放入密封袋中的试样固定在夹紧装置上,保证试样的回转中心与加工球的中心处于同一高度;然后,启动机床,缓慢地向试样方向进给刀架,待加工球与试样接触之后,继续进给,直至加工球对试样表面的静压力逐渐增加到200 N。最后,按程序进行加工两遍,时长约为3 h。经超声波冷锻处理后的试样记为UCFT,将未处理的试样记为Untreated。
1.2 性能测试
1.2.1 表面性能
目前,主要采用3种方法对纳米化后形变层表面晶粒尺寸大小进行测定:(1)采用XRD射线法根据衍射峰的宽窄变化来评价表面纳米化后晶粒的大小[16,17,18];(2)采用EBSD技术进行晶粒尺寸的表征[19,20,21];(3)采用TEM技术对铝、钢、钛表面纳米化后的晶粒尺寸进行分析[22,23,24]。但是,对金属而言,采用X射线衍射法测定晶粒大小是不太可信的,因为在金属材料中存在晶体有缺陷或晶面间距不等的情况,所以无法精确地区分是晶粒大小还是畸变对衍射宽度产生的影响[25];同时,采用EBSD来分析晶粒的大小也存在一些问题:首先,制样过程繁杂;其次,在EBSD面扫之前,无法保证所选区域是材料的典型组织,导致不能有效地设定扫描步长[20];最后,EBSD测定的粒子大小范围是微米级的,不能很好地说明材料表面的纳米化层度。而透射电镜(TEM)是观察显微组织(尤其是纳米级组织)最直接的分析手段,它不仅可以用来测量纳米化层表面晶粒的大小,同时也能看出其微观形貌,因此本工作采用TEM来测量晶粒尺寸大小。
采用JEM-2010透射电子显微镜(TEM)观察UCFT试样处理层的表面晶粒尺寸和微观形貌;其中,TEM样品制备的具体过程如下:在距离表面大约500μm的地方用慢速锯切削掉,切削掉的样品厚约0~500μm,在0μm处黏在玻璃片上,从500μm处手工磨制,剩余50μm时,用电解双喷设备减薄。
采用SPM-9500J3原子力显微镜(AFM)观察铝合金基体和UCFT试样的表面粗糙度;采用HV-1000显微硬度计测量试样的显微硬度,载荷为0.49 N,加载时间5 s。
1.2.2 耐磨性能
在MGW-02高速往复摩擦磨损试验机上进行室温磨损试验:将试样固定在装有3.5%Na Cl溶液的槽中,对磨件为φ6.25 mm的GCr15轴承钢钢球,硬度为61HRC;滑动速度为0.002 m/s,滑行距离为10 mm;法向施加载荷10 N,频率0.1 Hz;滑行时间30 min。记录摩擦系数,使用精度为0.1 mg的电子天平称量样品的磨损失重。每个样品重复5次,磨损失重取平均值。采用数码相机记录磨损后样品的宏观形貌;采用SEM观察磨损后样品的微观形貌。
2 结果与讨论
2.1 纳米化处理层的TEM图像
图2是UCFT试样的表面TEM图像。由图2可见,超声波冷锻处理后试样的最小晶粒尺寸约为200nm,大部分晶粒开始出现位错现象,而且位错呈不均匀分布(图2b中标记处),这可能是因为铝合金的位错能比较大,其塑性变形主要依靠位错运动,而晶体中位错不易分解、只能借滑移来克服运动时所遇到的障碍,位错又具有较大的移动性,直到与其他位错发生相互作用而聚成缠结。随着位错密度的增加和位错间距的减小以及形变热能的作用,原始晶粒会细化成为一种边界由位错组成的亚晶[4]。图2a中标记处均为经过超声波冷锻纳米化后所形成的亚晶,可以看出这些由位错所形成的亚晶尺寸大约在几百纳米范围内,晶粒尺寸没有达到纳米级,推测原因为纳米化的时间太短或过长。但是,与未经纳米化处理的试样表面晶粒尺寸十几微米相比,可以得出超声波冷锻处理细化了铝合金表面晶粒。
2.2 纳米化处理层的表面粗糙度
图3a和3b分别为未经处理和经超声波冷锻处理后的铝合金AFM二维表面形貌图。A、B为AFM测试过程中所选取的两个区域,取这两个区域的粗糙度平均值作为对比。由图3a可见,未经处理的试样在尺寸5.00μm×5.00μm的区域内平均表面粗糙度是7.447 nm,而经过超声波冷锻处理的试样在相同大小区域内的平均表面粗糙度是5.501 nm(图3b),可见,经超声波冷锻处理后的铝合金表面粗糙度值低于未经处理试样的。
图4a和4b分别为未经处理和经过超声波冷锻处理的铝合金的AFM三维形貌图。由图4a可见,未经处理的试样表面较为粗糙,沟壑较深且较密集,而经过超声波冷锻处理后的样品沟壑距离相对较远,甚至在图片的中间区域几乎没有沟壑存在。以上都说明了超声波冷锻改善了铝合金的表面粗糙度。
2.3 纳米化处理层的硬度
2024铝合金基体的硬度为78.67 HV,超声波冷锻处理层的硬度为106.72 HV,约为基体的1.36倍。由此可见,经超声波冷锻处理后样品的表面显微硬度明显提高,主要原因是铝合金表层晶粒细化。根据塑性变形晶粒细化的位错理论可以得出,当位错克服了滑移过程中的阻力后,会塞积在晶界前面,使其继续运动受阻。当晶粒减小时,就要增大外加应力,才能克服此阻力,使其相邻的晶粒也产生滑移。这就是说晶粒越细小,材料的强度也越高[24],而对于金属材料而言,材料的强度和硬度成正比关系,强度越高,硬度就越高[26]。
2.4 纳米化处理层的耐磨损性能
2.4.1 摩擦系数及磨损量
图5为铝合金超声波冷锻处理前后摩擦系数随时间的变化曲线。由图5可见,在3.5%Na Cl溶液中,2种样品的摩擦系数都是先经磨合阶段再进入稳定状态。另外,从图中可以明显看出超声波冷锻处理试样的瞬时摩擦系数比铝合金基体小,是因为经超声波冷锻处理后得到处理层的硬度比基体高。
铝合金基体的摩擦系数在磨合阶段约为0.70,进入稳定状态后约为0.80;而超声冷锻处理试样的摩擦系数在磨合阶段约为0.60,进入稳定状态后约为0.65;2种试样的摩擦系数在进入稳定状态后都有小幅度增加,因为在磨损后期,在摩擦过程中产生磨屑,进而形成磨粒磨损使摩擦系数增加[27]。但是从得到的数据分析可得:磨粒磨损对基体的影响要比UCFT试样大些,是因为超声波冷锻处理细化了试样表面晶粒,降低了表面粗糙度,提高了试样的硬度,从而提高了铝合金的减摩性。综上可得:经超声波冷锻处理减小了铝合金的摩擦系数。
在3.5%Na Cl溶液中磨损30 min,铝合金基体的磨损量为4.4 mg,而超声波冷锻试样的磨损量有所降低,为4.1 mg;由此可见,铝合金经超声波冷锻处理后摩擦系数降低、同时磨损量减少,从而改善了其耐磨损性能,这是由试样经超声波冷锻处理后硬度提高、表面粗糙度值减小以及表面粒子纳米化所致。
2.4.2 磨痕形貌
观察超声波冷锻前后的铝合金摩擦磨损试验后的宏观形貌发现,从磨痕宽度来看,超声波冷锻试样与基体试样在宏观方面无明显不同。进一步观察试样磨损试验后的表面SEM形貌见图6。由图6可见,在法向施加10 N载荷的情况下,铝合金基体试样磨损后所呈现出的磨痕较深,摩擦行为较为激烈,磨痕表面出现片状剥落和撕裂痕迹;而超声波冷锻后的试样磨损后,表面的磨痕较浅、较为平整,且有片状的磨屑残留在磨痕的表面。这说明了超声波冷锻技术在一定程度上提高了铝合金的耐磨性能。
3 结论
(1)超声波冷锻处理后铝合金表面最小晶粒尺寸达到200 nm,产生大量的晶界和位错,形成了亚晶,细化了铝合金表层的晶粒;表面粗糙度测试结果表明,超声波冷锻处理降低了铝合金表面的粗糙度值,改善了铝合金表面质量。
(2)铝合金基体的硬度是78.67 HV,而纳米化处理层的硬度是基体的1.36倍,说明超声波冷锻技术有助于提高2024铝合金的表面硬度,这可能是纳米化处理后,铝合金表面晶粒细化造成的结果。
(3)超声波冷锻处理降低了铝合金的摩擦系数,减少了铝合金磨损量。由于经超声波冷锻处理后的样品,表面晶粒尺寸变小,硬度提高,具有较低的摩擦系数、较少的磨损量和较为平整的磨损形貌,因此超声波冷锻技术可以提高2024铝合金的减摩耐磨性。
摘要：为了提高2024铝合金的耐磨性,采用超声波冷锻技术在2024铝合金表面进行纳米化处理,在其表面成功制备了纳米化处理层。利用透射电镜(TEM)和原子力显微镜(AFM)观察分析了试样表面的微观形貌、晶粒大小和粗糙度;利用显微硬度计分析了铝合金基体和纳米化处理层的硬度;采用高速往复摩擦磨损试验机研究了纳米化处理层在3.5%Na Cl溶液中的耐磨性。结果表明:经超声波冷锻处理后铝合金表面晶粒得到细化;纳米化处理层的平均表面粗糙度仅为5.50 nm;纳米化处理后的硬度为106.72 HV,是铝合金基体的1.36倍;纳米化处理后的摩擦系数由0.80降到0.65,磨损量也有所减少,磨痕深度也比铝合金基体的浅。综上可得:超声波冷锻技术提高了2024铝合金的耐磨性。
耐磨性能 篇8
关键词：多层环氧覆层,粘接特性试验,温度变形试验,耐候性试验
桥面耐磨防滑多层环氧铺装材料是一种新型的桥面面层材料, 由改性环氧树脂、固化剂及耐磨防滑骨料组成。该地面系统经过特定的摊铺工艺, 能形成一道轻质、柔韧、耐久且耐磨性极强的防滑表面, 同时可应用于多种基面上, 与混凝土、钢板、玻璃、塑料等基材粘结性能良好。根据面层骨料颜色的不同, 能形成色彩丰富的涂装表面, 正逐步在各种桥梁、升降台、停车场、货物处理区域等方面应用。
但是普通环氧胶与钢板的热膨胀系数相差较大, 热相容性较差, 在环境温度变化的情况下, 面层材料与基材变形的不一致会产生较大的层间内应力, 导致钢桥面薄层环氧铺装层起拱变形或发生剥离脱落。资料显示, 低弹性模量与良好的变形能力能有效降低薄层环氧铺装层与桥面之间的内应力[1], 所以必须对环氧胶进行改性, 使其具有低弹模、高伸长率及较高的粘接强度。该文在国内缺乏相应的技术规程的条件下, 参考了美国混凝土协会ACI 548.8规范中的要求[2], 并结合其他的一些测试手段, 对满足钢桥面铺装要求的环氧覆层材料各项性能进行了试验研究, 并应用到实际工程。
1 试验方法
经笔者查阅资料发现, 国内对于钢桥面使用环氧树脂类铺装材料缺少相应的技术规范及应用说明, 因此, 研究中主要参考了美国混凝土协会ACI 548.8《用于桥面和停车场地面摊铺的多层环氧树脂聚合物技术规范》进行试验。其中, 材料的部分性能指标及测试方法按照规范第二部分中对材料的性能指标要求进行了试验, 另外部分的性能则结合了国内一些试验方法进行。
1.1 环氧胶粘接特性试验
1.1.1 拉伸强度及伸长率
拉伸强度及伸长率试验主要用于评价环氧胶的抗拉伸性能。试验按照ASTM D638中Ⅰ型试件的要求进行[3]。试验前, 先按照图1要求成型哑铃型环氧胶试件, 试件成型经 (23±2) ℃条件下养护7d后, 在万能拉力试验机上将试件的两端夹住, 夹具以5mm/min±25%的速度匀速分离, 直至断裂, 测量试件工作部分 (G区域内) 拉伸到断裂时的负荷和延伸值, 并计算出抗拉强度和断裂延伸率。若试样断在夹具内或圆弧处, 此试祥作废, 另取试样补充。同批有效试样不足5个时, 应重做试验。
其中, 狭窄区域宽度W为13mm, 长度L为57mm;哑铃试件宽度W0为19mm, 长度L0为165mm;测试标距G为50mm;夹具间距D为115mm;倒角半径为76mm;哑铃试件厚度T为 (3.2±0.4) mm, 图2为加工的拉伸试验模具。
1.1.2 弹性模量
弹性模量可视为衡量材料产生弹性变形难易程度的指标, 其值越大, 使材料发生一定弹性变形的应力也越大, 即材料刚度越大, 亦即在一定应力作用下, 发生弹性变形越小。试验按照ASTM D638中Ⅰ型试件的要求进行, 弹性模量按照材料塑性变形阶段内 (初始直线段) 应力与应变的比值进行计算, 环境温度为 (23±2) ℃。
其中, Et为拉伸弹性模量, MPa;G为测试标距, mm。ΔP为应力应变曲线上初始直线段的载荷增量, N;ΔL为载荷增量ΔP对应的标距G内的变形增量, mm。
1.2 多层环氧聚合物铺装材料特性试验
下列试验中均采用ASTM C778中20~30号砂, 其中, 砂与环氧胶的体积比为2.75∶1[4]。
1.2.1 抗压强度
环氧材料在具备合理的拉伸变形的同时, 应该具有合适的承载力, 具有一定程度的刚度, 即抗压强度, 反应了材料抵抗压力变形的能力。抗压强度试验按照GB/T 17671《水泥胶砂强度检验方法 (ISO法) 》进行。
1.2.2 粘接强度
粘接强度参照ASTM C1583进行, 如图3所示[5]。采用切割设备, 切割一个垂直于铺装表面的四方形切口, 切割深度应达到基面 (钢板) 表面, 测量在2个垂直方向上的长度, 精确到0.2mm。将待测区域清理干净, 并将拉拔头用环氧胶粘接在待测铺装层表面, 注意不要让胶液流淌到切口内, 待环氧粘接胶干透后进行拉拔测试。在测试过程中, 拉伸载荷保持恒定, 拉应力按照 (35±15) kPa/s的速率均匀加载, 直至发生破坏。
在拉伸应力的作用下, 不同的界面破坏模式如图4所示。其中, 状态a为基层破坏;状态b为铺装层和基层脱离;状态c为铺装层破坏;状态d为拉拔头与铺装层间粘接胶脱离。试验中, 只有发生状态b的破坏被认定为铺装层的粘接强度, 拉伸粘接强度值 (MPa) 为断裂时拉应力 (N) 与测试试样面积 (mm2) 的比值。
1.3 变形性试验
钢结构具有较强的导热性, 在铺装界面处, 使用环境下易出现极高温或极低温的情况, 尤其是钢箱梁结构, 其夏季最高温可达70度以上, 同时, 桥面早晚温差大, 会产生较大的温度应力, 对桥面铺装材料产生严重破坏。试验中安排了不同温度变化下薄钢板的弯曲试验, 钢板尺寸为100mm×500mm×1mm, 在薄钢板的表面涂刷一层1kg/m2的环氧胶, 并撒布4kg左右的耐磨防滑骨料, 待胶固化后, 养护7d后对钢板进行简易弯曲试验, 测试设计温度下其能承受的最大竖向位移[6]。
1.4 铺装系统耐候性试验
尽管环氧胶具有优良的粘接性能, 但自然环境的变化也会对其产生影响而导致粘接性能发生改变。由于路面需承受一年四季昼夜温度周期性的变化, 温度的变化会给材料带来不同程度上的膨胀或收缩变形, 而铺装层与基层材料的热膨胀性能存在一定差异, 当层间温度应力过大时可能会导致脱层, 环氧薄层铺装材料的抗冻融性就显得尤为重要。
冻融试件尺寸为200mm×200mm×50mm, 在薄钢板的表面先涂刷第一层约1kg/m2的环氧胶, 并撒布4kg左右的耐磨防滑骨料, 待胶固化后, 清理第一层多余骨料, 再涂刷第二层约2kg/m2的环氧胶, 并撒布5kg左右的耐磨防滑骨料, 经养护7d后对钢板进行冻融试验。冻融试验的具体步骤是:首先将试样水浴加热至60℃, 并保温1h, 然后取出将试样直接放到-20℃冰柜中保温7h, 取出后直接放到60℃水浴升温中保持1h。通过冷冻-解冻循环, 观察不同循环次数后试样界面粘结区的情况, 以此评价抗冻融性能, 并记录20次冻融后试样的拉拔强度结果[7]。
2 试验结果分析
2.1 拉伸试验结果
图5~图7是环氧胶空白样Blank、自制改性环氧粘接胶EM-Co及市场上某环氧胶黏剂X1的拉伸试验结果。从图中可以明显看出, 经过改性后的环氧胶EM-Co较传统的环氧胶Blank具有更高的断裂延伸率和更低的断裂载荷。同时, 通过对环氧胶的改性, 大大降低了环氧胶的抗拉弹性模量, 从原有纯环氧的2.8GPa降到了214 MPa, 增强了对钢板变形的随从性能, 改善了桥面铺装层因应力变形而产生的抗疲劳破坏, 大大延长了铺装层的使用寿命。改性后环氧胶提高了固化产物的柔韧性能, 表现为断裂伸长率增加, 弹性模量下降。X1试样则表现出更为优异的拉伸变形能力, 表现为更大的拉伸伸长率109%和更低的弹性模量12MPa, 试样经历拉伸断裂后能恢复原有的拉伸变形, 然而, 拉伸强度却仅为1.5 MPa, 远远低于标准中13.8MPa的拉伸强度下限的要求[2]。改性组分中引入的长链段分子降低了环氧树脂的内聚强度, 导致固化产物的抗拉强度降低。
掺入活性增韧剂、选择链段较长的固化剂对固化产物柔韧性能的改善相当显著, 当被选择掺入到环氧树脂中, 参与固化反应时, 会在环氧树脂的交联结构中引入了柔性良好的分子链段, 很大程度上提高了环氧交联网络的自由活动能力, 极大地改善了固化产物的柔韧性能。
2.2 抗压试验
环氧树脂胶具有较好的拉伸变形能力的同时, 应具有适宜的机械性能, 合适的抗压强度, 能够使铺装材料具有更好的承载性和抵抗车辙变形的能力。随着骨料的加入, 环氧树脂体系粘度增加, 弹性模量逐渐增大。
环氧胶抗压试验结果见表1。未经过改性的纯环氧胶空白样表现出最大的抗压强度值为75.1 MPa, 对比试样EM-Co抗压强度值为40 MPa, 而X1样无有效强度数据。从拉伸试验过程可以明显看到, 柔韧性、拉伸伸长率很大的对比样X1, 机械强度却很低, 抗压试验中当受到较低荷载时, 即出现弹性变形, 随着载荷增加, 试件出现明显压缩变形, 而并未出现开裂破坏。试验样EM-Co的抗压强度值为40 MPa (大于标准中34.5MPa的要求) [2], 要低于纯环氧的抗压强度, 但具有更好的拉伸伸长率和更低弹性模量, 可见, 经过改性的自制样品各项综合性能更加均衡。
2.3 粘接试验
拉拔强度试验反映了环氧树脂胶与钢板层的粘接力的大小, 粘接力过小, 铺装层与钢板粘接不牢, 将出现脱落、剥离等现象。表1中记录了各试样在不同温度下的粘接强度, 从试验结果可以看出, 各环氧树脂胶在低温环境下粘接强度最大, 常温次之, 而高温环境下粘接强度最小, 且较常温下降明显。可见高温环境会对改性环氧材料的粘接性能产生较大的影响, 试样的粘结强度对温度存在依赖性[8]。
同时, 可以看到未经改性的环氧胶Blank常温粘接强度最低, 但随温度变化粘接强度变化不大。X1试样则表现出最大的高温损失率59.4%和最大的低温增长率21.9%, 可见X1试样对温度的依赖性更为显著。
2.4 温度变形试验
为了评价铺装层与钢板的变形随从性, 在薄钢板表面各涂刷一层1kg/m2的环氧胶, 并撒布4kg左右的耐磨防滑骨料, 固化后经 (23±2) ℃养护7d, 均分别放置于-10℃、70℃的环境箱及室温23 ℃环境中24h, 拿出后立即对钢板进行弯曲试验, 测试设计温度下其能承受的最大竖向位移 (以听到清脆的开裂声为试验结束点) 。
从试验结果看, 在室温及高温条件下, 各涂覆层与钢板有良好的变形随从性, 但是随着温度的降低, 薄钢板的弯曲度明显有所降低, -10 ℃ 的环境条件下, EM-Co试样表现出最好的低温随从性, 竖向位移达到最大量程70mm, 仍未出现开裂, 图9所示。反观空白试样, 竖向位移为37mm出现竖向裂缝, X1试样则在23mm的竖向位移下即发生开裂变形, 并沿裂缝横向发生脱离, 如图10所示。可见, EM-Co具有更为良好的各环境温度下的随从变形性能, 更适宜在-10~70 ℃环境下使用。
2.5 耐候性试验
试样在经历20次的冻融循环后, 试件表面和界面均未观测到裂缝, 仅面层骨料在冻融循环过程中出现了少量的脱落。但冻融后各试样的粘结强度均出现了一定程度的降低, 其中, EM-Co试样降幅最小为28%, Blank样居中为37%, 对比试样X1最大为41%, 且为铺装层层间破坏。试验表明环氧铺装材料EM-Co具更为优良的抗冻融性能。
3 应用
现在国内仅有为数不多的关于桥面薄层环氧铺装材料的研究及应用[8,9,10,11], 且尚无关于此方面的国家标准。论文在参考及借鉴国内外同类研究成果的基础上认为, 一般用于桥面薄层环氧铺装的环氧胶黏剂抗拉强度应≥12 MPa, 断裂伸长率应≥30%[10], 常温粘接强度应≥2 MPa。
文中所研制的薄层环氧材料已成功应用于武汉某市政桥梁非机动车道钢桥面拓宽提质改造中。其施工步骤如下:原有旧桥面表面处理 (破除、除锈、封底等) →接缝处理→涂刷第一层环氧胶→撒布耐磨骨料→养护→清理回收骨料→涂刷第二层环氧胶→撒布耐磨骨料→养护→清理回收剩余骨料→开放交通→恢复交通→一周左右回收面层剩余骨料, 图13为现场钢桥面薄层环氧覆层铺装完工后实景图。在环氧覆层完成铺设一周后, 对铺装层进行了粘接性能的现场测试, 从图14中可以看到, 破坏主要发生在近界面处, 即属铺装层与基层脱离, 有少量环氧胶和骨料残留在钢板面, 铺装层的拉拔强度均值为3.7 MPa, 实际应用效果良好。
4 结论
a.未经增韧改性的环氧胶拉伸弹性模量很大, 拉伸伸长率很小, 脆性大, 与钢板随从性差, 不适合作为钢桥面的薄层铺装用粘接材料;经过增韧改性的环氧胶具有较低的弹性模量, 适宜的拉伸伸长率、抗拉强度和粘接强度, 适合作为钢桥面薄层铺装的粘接材料。
b.环氧胶与钢板间的粘接特性会受到环境温度的影响, 在-10 ℃低温环境下, 粘接强度要略高于室温环境, 而在70 ℃高温环境下, 粘接强度较室温环境下降明显。
c.环氧胶会受到环境冻融的影响, 粘接强度会存在一定程度损失, 但不会因温度变化而产生粘结失效、集料脱落和脱层等严重问题, 具有适宜的耐候性能。
d.针对环氧覆层铺装制定了相应的施工工艺, 经过工程实践证明, 该施工工艺简便可行, 现场测试结果表明, 在不增加桥面荷载的情况下, 环氧覆层与钢桥面基材粘接牢固, 具有优异的防滑耐磨性能, 能够达到预期效果。
参考文献
[1]彭勃, 冯李, 黄燎.桥面防滑薄层弹性环氧胶黏剂的研究[J].湖南大学学报 (自然科学版) 2014, 41 (4) :67.
[2]ACI 548.8, Specification for Type EM (Epoxy Multi-Layer) Polymer Overlay for Bridge and Parking Garage Decks.
[3]ASTM D638-10, Standard Test Method for Tensile Properties of Plastics.
[4]ASTM C778-13, Standard Specification for Standard Sand.
[5]ASTM C1583/1583M-13, Standard Test Method for Tensile Strength of Concrete Surfaces and the Bond Strength or Tensile Strength of Concrete Repair and Overlay Materials by Direct Tension (Pull-off Method) .
[6]李星星, 李宇峙, 邵腊庚, 等.耐高温环氧树脂胶粘剂在钢桥面粘结层中的应用试验研究[J].公路, 2007, 1 (1) :164.
[7]王兴昌, 王凯, 范瑛, 等.环氧薄层铺装材料耐候性试验研究[J].建材世界, 2015, 36 (3) :69.
[8]Mo L T, Fang X, Yan D P, et al.Investigation of Mechanical Properties of Thin Epoxy Polymer Overlay Materials upon Orthotropic Steel Bridge Decks[J].Construction and Building Materials, 2010 (33) :41-47.
[9]胡宏源, 申茂枝, 盛大文, 等.桥面环氧抗滑铺装层间粘结拉拔试验分析[J].建材世界, 2013 (34) :45-48.
[10]赵锋军, 李宇峙.钢桥面薄层环氧树脂混凝土铺装材料路用性能试验研究[J].公路, 2010 (2) :74-78.
耐磨性能 篇9
超疏水表面特殊的表面润湿性使其在自清洁、防水、防覆冰、防腐蚀以及液体运输等领域具有广泛的应用前景[2,3,4,5]。研究表明,超疏水表面的形成主要是由两个因素决定的:低表面能材料和微纳米几何粗糙度。低表面能材料能赋予表面良好的疏水性,而多层次的微纳米几何粗糙度可以在固液界面捕获一层气囊,有助于提高表面对水的接触角。因此,在疏水表面构造粗糙度或者对粗糙表面进行疏水化处理可构造超疏水表面。但是,由于超疏水表面存在着特殊的微纳米结构,当遇到轻微的摩擦时,这些微纳结构容易被破坏,导致表面失去超疏水性能[6]。因此制备稳定性好、耐磨的超疏水涂层或表面成为研究的难点。发明专利[7]公开了一种抗磨损的复合超疏水涂层的制备方法,将聚氨酯、环氧树脂以及氨基硅油复配,利用相分离方法制备具有微凸结构的多孔的复合超疏水涂层。但是该方法需要合成聚氨酯溶胶,工艺较繁琐,需要固化时间长。而且,该涂层耐油性差,容易被油污污染,导致超疏水性能被破坏。
针对现有技术超疏水材料稳定性差、不耐磨损和不耐油等缺陷,本文研究了一种稳定性好、耐油且兼具良好耐磨性的超疏水疏油复合涂层的制备方法。本文选择了一种与不锈钢底材附着力较好,可以低温固化的树脂,与消光粉一起分散,喷涂后构造一个微米尺寸的结构;选择氟化物改性纳米二氧化硅做为面涂,喷涂在底涂上与底涂一起构成微纳结构及低表面能的表面。
1 实验
1.1 原料与仪器
双酚A改性环氧树脂,自制;乙醇(分析纯),天津福晨化学试剂厂;丁酮(分析纯),天津福晨化学试剂厂;二甲苯(分析纯),天津福晨化学试剂厂;十七氟癸基三甲氧基硅烷:杜邦化学;纳米二氧化硅粒子(A380),德国赢创工业集团;微米二氧化硅粒子(TS100),德国赢创工业集团;γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷(A-187),迈图高新材料;γ-氨丙基三乙氧基硅烷(A-1100*),迈图高新材料;基材(304不锈钢);大豆油(金龙鱼大豆油),市购。
JJ1000电子天平,常熟市双杰测试仪器厂;JC2000C1接触角表面张力测量仪,上海中晨数字技术设备有限公司;Taber5750线性磨耗仪,翁开尔有限公司;BGD856紫外光加速老化试验机,广州标格达实验室仪器用品有限公司;BGD881盐雾腐蚀试验箱,广州标格达实验室仪器用品有限公司;电热鼓风干燥箱:上海一恒科学仪器有限公司。
1.2 制备方法
超疏水疏油底涂的制备:在室温下,将一定比例的双酚A改性环氧树脂、γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷A-187、微米二氧化硅粒子TS100加入到溶剂中,以2500 r/min高速混合分散30 min,得到超疏水疏油底涂;
超疏水疏油面涂的制备:将纳米二氧化硅粒子A380以1500 r/min在水与乙醇的混合溶液中高速分散30 min,加入十七氟癸基三甲氧基硅烷和硅氧烷偶联剂(γ-氨丙基三乙氧基硅烷A-1100*),得到二氧化硅分散液;然后将分散液移至反应釜中,加入一定浓度的冰乙酸水溶液,在温度为65℃下,反应6 h得到超疏水疏油面涂;
喷涂工艺:在已经清洁的基材上先喷涂超疏水疏油底涂,移至120℃干燥箱中10 min烘干;然后冷却至室温,喷涂超疏水疏油面涂,再次移至120℃干燥箱中20 min烘干,即得到超疏水疏油涂层。
1.3 表征与测试
1.3.1 附着力测试
涂层的附着力采用百格测试仪测试,采用ISO等级进行评判。
1.3.2 接触角测试
采用JC2000C1接触角仪通过悬滴法测量超疏水疏油复合涂层与去离子水和大豆油的接触角。
1.3.3 耐磨性测试
用Taber5750线性磨耗仪测试超疏水疏油复合涂层的耐磨次数,磨头选用妙洁海绵百洁布,荷重0.5 kg,摩擦一个来回计为一次。
1.3.4 耐盐雾测试
耐盐雾采用国家标准GB 6458-1986金属覆盖层(中性盐雾试验)进行测试。
1.3.5 耐紫外老化测试
耐紫外老化采用国家标准GB/T 16422.3-1997塑料实验室光源曝露试验方法(第3部分:荧光紫外灯)进行测试。
2 结果与讨论
2.1 涂层附着力
涂层与基材的附着力是涂料最基本的性能要求。底涂中,自制双酚A改性环氧树脂与不锈钢的附着力为0级,但是消光粉的加入减少了双酚A改性环氧树脂与基材的接触面积,会在一定程度上降低涂层与基材的附着力。
图1是双酚A改性环氧树脂与消光粉不同质量比的底涂与基材的附着力关系,其中,消光粉与硅烷偶联剂A-187的质量比为2∶1。
从图1中可以看出,当树脂与消光粉的质量比不小于5∶1时底涂与不锈钢的附着力达到0级;当消光粉的比例较高时,降低了树脂与基材的粘接面积,而其本身与基材又没有粘接力,所以树脂与消光粉应当保持一定的比例才能保证涂层的附着力,附着力较好的比例为5∶1和6∶1。
2.2 涂层疏水疏油角
涂层的疏水疏油性不仅跟面涂中低表面能的物质有关,而且与底涂和面涂共同构造的微纳结构有关。为考察不同粗糙度的底涂和不同表面能的面涂对表面疏水疏油角度的影响,则分别以附着力较好的底涂(树脂与消光粉的质量比分别为5∶1和6∶1)与不同配比的面涂进行组合,测试各个组合表面对去离子水和大豆油的接触角,结果分别见图2和图3。
从图2可以看出,当树脂与消光粉的质量比为5∶1时,随着氟化物与A380质量比的增大,涂层表面与去离子水和大豆油的接触角也随着增大,当氟化物与A380质量比为2∶1时,涂层表面与去离子水和大豆油的接触角基本达到最大,分别为167°和151°;当氟化物与A380质量比为3∶1时,涂层表面与去离子水和大豆油的接触角增大微乎其微;因此,综合考虑,当树脂与消光粉的质量比为5∶1时,面涂中氟化物与A380质量比2∶1时最佳。
从图3可以看出,当树脂与消光粉的质量比为6∶1时,涂层表面的接触角的变化趋势与质量比为5∶1时基本相同,但与去离子水和大豆油的接触角却小了一些,说明涂层的粗糙结构对接触角的影响比较明显;由于树脂与消光粉的质量比越大,涂层表面的粗糙结构越不明显,越不利于构造超双疏的结构,因此选择树脂与消光粉的质量比为5∶1。
图4和图5分别为涂层对去离子水和大豆油的接触角照片。
2.3 结构表征
图6为耐磨超疏水疏油涂层的表面显微结构,底涂树脂与消光粉的质量比为5∶1,面涂氟化物与A380质量比2∶1。
从图6中可以看出,涂层表面均匀地分布着微米结构与纳米结构的二氧化硅颗粒,构成仿荷叶结构的微纳结构,为超疏水疏油性能提供了基础的结构。
2.4 耐盐雾和老化测试
涂层与去离子水和大豆油的接触角随盐雾时间的变化关系,如图7所示。从图7中可以看出,超疏水疏油涂层具有较长的耐盐雾时间,当盐雾时间为100天时,疏水角为122°,疏油角为105°。
从图8中可以看出,涂层也具有较长的耐老化时间,当老化时间为80天时,疏水角为116°,疏油角为90°;说明该涂层具有优异的气候适应性,适用于物体表面自清洁、防水、防覆冰和防腐蚀。
2.5 耐磨性测试
涂层的耐磨性用涂层表面对水和大豆油的抵触角的大小评判,耐磨试验结果如图9如示。
从图9可以看出,涂层的疏水疏油角在前200次摩擦后降低幅度比较大,可能是摩擦过程中损坏了涂层表面的纳米结构,但之后的摩擦,涂层的疏水疏油角变化幅度不是很大,在摩擦1000次之后,涂层的疏水角为117°,疏油角为89°,仍具有较高的疏水疏油角,因此该涂层具有较好的耐磨性。
3 结论
选用自制的双酚A改性的环氧树脂做为底涂与基材的粘接剂,树脂与消光粉的质量比为5∶1,底涂与基材的附着力为0级;面涂中氟化物与纳米二氧化硅的质量比为2∶1时,复合涂层的疏水疏油角最佳,分别为167°和151°;当涂层摩擦1000次时仍具有较高的疏水疏油角,分别为117°和89°,并且涂层具有优异的耐盐雾和耐老化性能,有涂覆在物体表面用于自清洁、防水、防覆冰和防腐蚀。
摘要：耐磨超疏水疏油涂层是由以双酚A环氧树脂和微米尺寸的消光粉高速分散构成的底涂,及氟化物改性纳米二氧化硅为面涂,经分别喷涂构造的复合涂层。经试验,当双酚A环氧树脂与消光粉的质量比例为5∶1,面涂中氟化物与纳米二氧化硅质量比例为2:1时,构造的微纳结构涂层的疏水疏油角分别为167°和151°;当涂层摩擦1000次时仍具有较高的疏水疏油角,分别为117°和89°,并且涂层具有优异的耐盐雾和耐老化性能。
关键词：超疏水疏油,纳米涂层,自清洁,耐磨
参考文献
[1]Barthlott W,Neinhuis C.Purity of the sacred lotus,or escape from contamination in biological surfaces[J].Planta,1997,202(1):1-8.
[2]Yao X,Song Y L,Jiang L.Applications of bio-inspired special wettable surfaces[J].Adv Mater,2011,23(6):719-734.
[3]Ganesh V A,Raut H K,Nair A S,et al.A review on self-cleaning coating[J].J Mater Chem,2011,21(41):16304-16322.
[4]Zhang Y B,Chen Y,Shi L,et al.Recent progress of double-structural and functional materials with special wettability[J].J Mater Chem,2012,22(3):799-815.
[5]Wang C Q,Jiang D Z,Xiao J Y.Fabrication of superhydrophobic surface on Zn O/E-51 composite coating[J].Journal of Functional Materials,2012,43(14):1955-1959.
[6]Zhang H,ZENG X F,GAO Y F,et al.A facile method to prepare superhydrophobic coatings by calcium carbonate[J].Industrial&Engineering Chemistry Research,2011,50(6):3089-3094.