摩擦处理（精选8篇）
摩擦处理 篇1
1 前言
齿轮是汽车传动系统中非常重要的部件[1]。齿轮工作时,需要齿面有高硬度、高耐磨性和一定的抗腐蚀性能[2]。当代汽车工业对齿轮高速、重载的性能要求,使得传统的表面热处理工艺已很难满足发展需要。国外普遍采用表面处理技术来改善齿面的摩擦润滑特性[3]。
磷化是将钢铁材料置于某些酸式磷酸盐(如Zn、Mn、Fe、Ca等)为主的溶液中[4],通过化学反应与电化学反应,使其表面沉积形成一层不溶于水的磷酸盐转化膜的过程。磷化处理可以为基体金属提供保护,在一定程度上防止金属被腐蚀,还可以在金属表面起减摩润滑用。本文以渗碳齿轮钢为对象,研究了磷化处理对其摩擦磨损特性的影响,并分析了机理。
2 试验方法
2.1 试验设备
摩擦磨损试验采用UMT多功能磨损试验机进行试验,试验机示意图见图1。
2.2 试验样品
本文的研究对象为某车型的车桥主动锥齿轮与准备齿。主动锥齿轮材料为20Cr Ni Mo,准备齿材料为22Cr Mo,二者均经渗碳处理,表面硬度(HRC)58~63。磨损试验的上试样从准备齿直接截取;下试样用20Cr Ni Mo材料加工成标准样品,热处理工艺和表面硬度与主动锥齿轮一致。部分下试样渗碳处理后采用锰系磷化处理。
锰系磷化工艺流程为:脱脂(浸泡)→自来水洗→纯水洗→表调→磷化→自来水洗→纯水洗→热风吹干。图2为磷化膜表面形貌,可见磷化物排列状态和部分微孔隙的分布。
2.3 试验规范
齿轮材料磨损试验的主要参数见表1。润滑油为车桥中实际用齿轮油,润滑方式为试验前一次性在下试样表面滴油0.5 ml。为确保试验结果准确,相同试验按同一规范至少重复3次,结果取平均值。
2.4 分析测试方法
a.通过UMT试验机记录全程的摩擦系数;
b.用三维形貌仪测量下试样的磨痕深度,以磨痕深度评价磷化试样和未磷化试样的磨损程度。
3 试验结果与分析
3.1 摩擦系数
3.1.1 磨合期内的摩擦系数
磷化试样与未磷化试样在磨合期内的平均摩擦系数见图3。可以看出磷化处理后样品的平均摩擦系数明显低于未磷化样品。
3.1.2 磨损过程中的摩擦系数
试验样品在磨损过程中的摩擦系数曲线见图4。从中可见,未磷化样品的摩擦系数全程为0.121 8~0.132 6,磷化样品的摩擦系数在试验进行到6 000 s左右出现明显的拐点,摩擦系数出现急剧下降,并持续约1 200 s。在前6 000 s内,摩擦系数为0.120 4~0.122 6;从7 200 s开始至试验结束,摩擦系数缓慢下降,数值在0.097 5~0.101 1之间。
3.2 磨痕深度
下试样的磨痕深度测试结果见图5。未磷化试样的磨痕深度为6.4 mm,磷化试样的磨痕深度为2.3 mm,明显小于未磷化试样。
3.3 磨损形貌分析
磷化样品与未磷化样品的磨损形貌见图6。两个样品的磨损表面均有明显的犁削痕迹,磨损机理以磨粒磨损为主。与磷化样品相比,未磷化样品磨损表面的犁沟数量更多、深度更深,表明磨损程度更严重。
图7a为磷化试样实物图片,图中标记为磨损区域,可见磨损部分的磷化膜已出现剥落。图7b为磨损区域在线扫描下的能谱分析结果,结果显示磨损区域仍分布有磷元素。
3.4 讨论分析
a.从摩擦磨损试验结果得知,在磨合期及磨损过程中,磷化试样的摩擦系数均低于未磷化样品,磷化样品的磨损也显著低于未磷化样品。磷化处理提高摩擦副耐磨性的主要原因是磷化膜微孔具有良好的吸附、储存润滑油的能力,改善了摩擦面的润滑特性。
b.当磨损达到一定程度时,磷化样品的摩擦系数出现急剧下降,表明磷化膜开始脱落;当磷化膜基本完全脱落时,摩擦系数不再急剧下降,但能谱分析结果显示磨损表面仍然存在少量的磷化物,剥落的磷化膜可以作为润滑介质,减少上、下试样金属间直接接触,使摩擦副实现“三体磨粒磨损”,降低磨损程度。
c.磷化膜从磨合期开始即降低了配副的摩擦磨损,磷化膜脱落后,仍可作为润滑剂对配副的磨损起保护作用。
4 结论
a.磷化处理显著降低了齿轮材料的摩擦磨损,磷化膜在磨合期即开始发挥作用;磨损一定程度后,磷化膜脱落,但仍作为润滑介质减小配副的磨损;
b.后续研究工作应进一步延长磨损试验的时间,探索磷化膜起减摩耐磨作用的完整周期。
摘要：研究了磷化处理对齿轮材料20CrNiMo和22CrMo摩擦磨损特性的影响。结果表明,磷化处理可有效减小齿轮材料在磨合期内的摩擦系数。采用磷化处理后,齿轮材料的磨损减小;磨损过程中磷化膜出现剥落,但仍起到减摩润滑的作用。
关键词：齿轮材料,磷化,摩擦磨损
参考文献
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[4]康信武,赖继发.热处理技术与装备[J].现代制造工程,2008(5):37-40.
摩擦处理 篇2
搅拌摩擦焊经历十几年的研究发展，已经进入工业化应用阶段，搅拌摩擦焊在美国的宇航工业、欧洲的船舶制造工业、日本的高速列车制造等制造领域得到了非常成功的应用。
船舶制造和海洋工业是搅拌摩擦焊首先获得应用的领域，主要应用于船舶零部件的焊接上，如甲板、侧板、防水壁板和地板;还有船体外壳和主体结构件等。已成功焊接了6m×16m的大型铝合金船甲板。此甲板采用厚度甲板6mm、宽为200-400mm的6082-T6铝合金进行纵逢拼焊焊成。在航空制造方面，搅拌摩擦焊在飞机制造领域的开发和应用还处于试验阶段。主要利用FSW实现飞机蒙皮和衍梁、筋条、加强件之间的连接，以及框架之间的连接。图2-32是欧洲计划用搅拌摩擦焊焊接的空中列车A319机、A321机和大型空中列车A380的机身结构图。图2-32搅拌摩擦焊焊接的空中列车机身结构(图中箭头所指)在航天领域，搅拌摩擦焊已经成功应用在火箭和航天飞机助推燃料筒体的纵向对接焊缝和环向搭接接头的焊接，如图2-33所示。用ESAB公司生产的称为SuperStir的搅拌摩擦焊机焊接了直径2.4m、板厚22.2mm、型号为-T6铝合金δ火箭燃料筒的纵缝，与MIG焊相比，搅拌摩擦焊缺陷率很低，MIG焊焊缝长832cm出现一个缺陷，而搅拌摩擦焊焊缝长7620cm出现一个缺陷，相当MIG焊的1/10。最近在δⅣ火箭中搅拌摩擦焊焊接的1200m长焊缝中无任何缺陷出现，图2-33搅拌摩擦焊焊接的运载火箭低温燃料筒在铁道车辆中，搅拌摩擦焊已经用来制造高速列车、货车车厢、地铁车厢和有轨电车等;搅拌摩擦焊为汽车轻合金结构的制造也提供了巨大的可能。图2-34为高速列车用结构25m长的搅拌摩擦焊焊缝。图2-34日本新干线高速列车结构在建筑工业方面，采用搅拌摩擦焊焊接了蜂窝状结构的大型地面。面板厚为2.5mm、翅板厚为5mm、中心高为100mm，焊接规范为搅拌头转速1500rpm，焊接速度250 mm/min。此外，搅拌摩擦焊在铝合金桥梁和铝合金、镁合金、铜合金的装饰板的制造中获得了应用。在电子工业方面，搅拌摩擦焊已用于大型铝合金散热片的焊接，使散热片具有很好的热性能和耐振动特性。铜的熔点和热传导率比铝高，铜及铜合金采用一般熔焊方法也是极困难的。在欧洲用搅拌摩擦焊制作了大型铜容器，用来储藏高能放射性物质，将盖和筒体焊接在一起，熔深为58mm，搅拌头的肩部直径为60mm，接头附近的温度高达750℃。与非真空电子束焊相比，非真空电子束焊的焊速为254mm/min，而搅拌摩擦焊为100.4mm/min，焊速较慢，但没增加热输入，所以能满足要求。为了实现搅拌摩擦焊的三维空间焊接，应积极研制和开发机器人搅拌摩擦焊，因受机器人臂的刚性和载荷能力的限制，目前有报道开发了缺陷修补的机器人搅拌摩擦焊。采用3kw的马达作为搅拌头的驱动，机器人臂载荷限制在150kg，搅拌头的转速为1000～1600rpm，焊速350mm/min。采用机器人搅拌摩擦焊焊接了6061-T6铝合金，接头强度为230Mpa，修补焊缝的强度为225 Mpa，其机械性能达到母材的55%～60%。随着人们对搅拌摩擦焊技术认识的提高，预计在不远的将来，铝合金材料的连接将主要由搅拌摩擦焊来完成，尤其在运载火箭、高速铝合金列车、铝合金高速快艇、全铝合金汽车等项目中搅拌摩擦焊技术将会占到主导地位。
国际贸易中贸易摩擦处理办法分析 篇3
关键词：国际贸易摩擦,现状,处理办法
0引言
目前国际贸易摩擦在数量和领域上都持续增多,成为了世界经济发展的阻力,究其原因还是国家制定的诸多贸易壁垒来保护本国的企业发展,根本在于企业的技术差距,规范国际市场秩序和不断强化自由贸易主义可以缓解贸易摩擦,企业必须加大技术改进,增强创新。
1国际贸易摩擦现状
1.1 国际贸易摩擦数量持续增多
在世界各个国家和地区之间, 国际经济竞争日趋激烈,就国际贸易市场来说,发达国家依然是发展中国家外贸摩擦的主体,但是每个国家都不能脱离世界经济一体化的趋势,随着发展中国家的经济实力不断增强以及与国际市场的不断融合,发达国家为遏制发展中国家, 在诸多的对外政策上设置贸易壁垒,从而使国际贸易摩擦数量不断增多。 同时,反倾销所涉及的商品种类也在逐渐的增多。 在数据上明显的显示出国际贸易摩擦数量在逐年增多,就世界范围来说,国际贸易摩擦主要分布在欧洲和美洲,由欧盟和美国主导,为维护本国的经济利益,凭借强大的经济实力,对有经济联系的国家进行政策制裁,各种反倾销的案例频频发生,我国自2010 年加入WTO之后,面对的挑战日益增多,发达资本主义国家更是加大了对我国的经济发展的限制,使得我国在国际贸易中遇到的摩擦不断攀升。
1.2 国际贸易摩擦领域扩大
国际贸易摩擦的领域随着经济的多样化发展不断扩大,由于世界各国的经济发展状况不同以及对外贸易的制度相差较大,国际贸易之间缺乏有效的、合理的对话,在不同的贸易种类上有着较大的分歧,而第三次技术革命为世界开启了新的发展模式,电子信息的出现为国际贸易提供了新的平台,国际贸易又有了更加广阔的未来,使传统的经济发展有了更多的发展空间,新模式的出现势必会带动新领域的出现,新领域的出现又加剧了国际贸易摩擦领域的扩大。 较为传统的国际贸易摩擦形式只是针对单一的产品,而现在的贸易摩擦则是开始向产业集群慢慢转移。 贸易摩擦的面更加广,影响更为深远,比如说技术贸易、服务贸易摩擦等等,这种多元化的摩擦不是单独存在的,而是与本国的经济发展水平相一致,国家的水平不同,呈现出来的摩擦形式也就大不相同。 国际中的贸易摩擦都源于国内,不同地区的经济发展模式和思维模式各不相同,国内制定的货币政策、金融机制等的不同都影响着国际贸易,扩大了国际贸易摩擦的领域。
2国际贸易摩擦的成因
2.1 贸易保护主义的存在
贸易保护主义违背了贸易自由化的规则,而国际贸易摩擦的存在大多是由于各国实施的贸易保护主义所造成的,经济全球化不断地深入使得一些不敢于应对挑战的国家萌生了贸易保护主义的想法,这些国家为保护国内产业的发展,故意设置较高的贸易壁垒,使国外的产品在进口时被阻断或是被过高地征收关税, 抓住世界贸易组织规定中的漏洞作为自己的说辞,由于世界经济发展是较为不平衡的,经济增长速度的不平衡则是常见的现象,它会经过一段时间来逐渐发展,必然会导致原有的经济实力地位发生变化。 但是面对本国的经济竞争力的相对落后,这些国家往往不是采用调整国内产业结构以及经济政策的办法来提高生产力,而是采用了经济保护的办法来应对外部竞争。 这些国家为使自己的利益最大化,会把自己的优势产品以较低的价格不断地出口,从而占领一定的国际市场,对于自己的劣势产业,就会紧抓国内市场,制定各种政策来抑制国外先进产品的进口,破坏了国际贸易自由化的初衷,引发了大部分的国际贸易摩擦, 这也是目前最亟待解决的贸易摩擦问题。
2.2 政治因素导致的贸易摩擦
世界各国在经济贸易上制定的制度各不相同,由发达国家主导的世界经济体制适用于发达国家本身,而经济实力较弱的发展中国家在经济转型过程中存在着较大的缺陷,发展中国家缺乏市场的自主权,国内企业不能充分发挥主观能动性,政府缺乏先进的企业管理经验和市场规划理念,不能有效地指引企业向国际领先水平看齐, 在相关的法律制度上缺乏立法保障,导致国内企业对外贸易时经常发生摩擦。 各国主张的政治体制不一样,这是导致国家间贸易摩擦逐年增多的最主要因素。 人们不得不从另一个视角思考贸易政策的本质。 国际贸易的摩擦不仅受双方利益的影响,而且还受一个国家的意识形态、政治体制等方面的影响。 就中国而言,我国虽然早在2010 年就加入了WTO,但是西方国家依旧对中国持有偏见,使中国深受 “反倾销”之害,我国自改革开放就实施市场经济,由于我国实行社会主义制度, 资本主义国家对我国的市场经济依然持怀疑态度,不承认、不接受我国的市场经济,这也使国际贸易摩擦难以解决。
2.3 国家综合国力的影响
当今世界的贸易摩擦中一个最主要的原因就是综合国力的悬殊,发展中国家的综合国力较弱,难以在国际贸易中取得发言权和主动权,并且进出口产品的优势取决于其中的科学技术和创新能力,综合国力较弱的国家的科技创新能力相对落后于发达国家,而且在短时间内无法缩短差距,这是发展中国家存在的一个致命的短板, 若无法在创新与核心技术上取得突破,国际贸易摩擦便很难避免。 科学技术是第一生产力,综合国力较弱的国家里的企业难以把技术标准提升到国际水平,使企业产品的成本较高、质量较差,无法在国际市场的竞争中取得优势,而国家又必须扶持国内企业,不得不对国外的先进产品设置较高的贸易壁垒,从而引发国际贸易摩擦,这些国家不仅缺乏先进的科学技术,更缺乏完善的市场调节机制,其典型特点是商品结构单一化,市场过于集中化,出口猛增和市场集中的产品又通常是国际贸易摩擦的重要对象,再加上出口管制相对混乱,使得企业有倾销的趋势,导致发达国际采取相应保护措施,造成国际贸易摩擦。
3国际贸易摩擦的处理办法
3.1 规范国际贸易制度
世界贸易组织在全球范围内具有较大的影响力,国际上应该有效利用世界贸易组织不断完善国际贸易制度,深入研究复杂的国际关系和经济形势,坚持贸易自由化,发展中国家和发达国家多采取有效的对话来制定合理的市场规则,减少贸易保护主义, 发达国家相应的减少先进产品对发展中国家的出口,发展中国家相应降低关税,打破贸易壁垒,从而有效的避免国际贸易摩擦并保护了国内较为落后的企业,世界贸易组织应该充分发挥中介作用,积极维持国际贸易的总体动态平衡,在国际贸易的规则制定上,应该允许各成员国都有话语权,共同为WTO的秩序提供新的建议, 打破发达国家的垄断, 使世界贸易组织真正地成为“世界”的组织,而不是“发达国家”的世界贸易组织,不偏向任何一方,同时世界贸易组织也可以采用被动的解决方式,根据之前的国际贸易摩擦的案例制定相应的解决机制,并列入成文的规定,避免下次贸易摩擦的发生,提高国际贸易摩擦的预警能力,及时地预防、解决摩擦问题。
3.2 完善对外政策和市场体制
国家在国际贸易上应该首先确立一套完整的市场机制,有效地保障国家企业的利益,引导企业发展,在对外的政策上要与合作国进行公平的、互利共赢的原则,减少贸易壁垒和贸易保护主义机制,积极融入全球经济一体化浪潮,加快经济转型和产业升级的步伐,完善国内的企业管理体系,鼓励、刺激企业创新,逐渐淘汰落后企业。 发展中国家需要参照有关国家比较成熟的应对国际贸易摩擦的经验,并结合自身经济贸易具体情况,较快建立国际贸易预警机制并不断升级与完善。 包括中国在内的发展中国家应该逐渐转变对外贸易的发展方式,不断调整经济发展战略,时刻与世界接轨,与国际形势相适应,增强自身实力,敢于积极面对世界经济带来的挑战,提高企业在国际市场的主动性,加强与世界的联系,及时化解与合作伙伴的矛盾,建立健全贸易摩擦预警机制。
3.3 提高产品技术含量
在国际贸易中,产品的技术含量的不同是导致贸易摩擦的根本原因,发展中国家几乎所有的出口产品都曾遭遇过技术性贸易壁垒。 技术性壁垒用于现代国际贸易中商品实施进口管制,其最终目的是为了限制出口,通过颁布相关法令法规,建立技术标准、认证制度等方式对国外商品制定过于严格的卫生标准、技术标准、商品包装、标签标准等来提高技术要求,增加进口难度, 所以要想避免贸易摩擦就必须提高自身的创新能力,以在激烈的国际竞争中取得优势,借鉴国外的先进技术,找到差距,逐步了解各国的技术水平,鼓励创新,培养创新型人才,引进高新技术,可以提高产品的附加值,加大对科研方面的投入,采取新的工艺和技术,推进产品的更新换代,有效地降低成本,提高利润和市场竞争力,还可以发展企业的自身特色,独特的产品性能可以弥补其他技术上的欠缺,而且可以有效地占据一定的市场。 企业需要大量聘请创新型人才,将技术部门作为企业的重点研发点,企业有了优势便可在国际贸易摩擦中占取有利地位。
4结语
在经济全球化的趋势下,贸易摩擦不可避免,目前,国际贸易摩擦的数量不断增多,领域不断扩大,各个国家都必须积极应对摩擦才能保障国家经济可以平稳、快速增长,在看清楚贸易摩擦的原因后制定合理的应对措施, 重点在于加强合作交流,增进友好关系,通过公平、公正地谈判和对话有效地解决摩擦,企业内部则需抓紧创新,取得竞争优势,合理地应对贸易摩擦。
参考文献
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摩擦处理 篇4
大量的科研人员对钛酸钾晶须的性能做了相关研究,得出钛酸钾晶须有优良的力学性能,稳定的化学性能,硬度低,耐磨性好,耐高温[2]。本工作旨在利用这一特性,用硬脂酸改性处理钛酸钾晶须,从钛酸钾晶须的不同含量角度,把它添加在坡缕石复合材料中,探讨适当的钛酸钾晶须含量对坡缕石复合材料的影响,研究短纤维与长纤维的缠绕微弥补增强复合机制,改善坡缕石树脂复合摩擦材料耐磨性差的状况,提高复合材料的耐磨性。
1 实验
1.1 原料与设备
钛酸钾晶须:江苏宜兴市晶须复合材料制造厂, 平均直径0.1~1μm ,长径比在10~100μm [2];硬脂酸:分析纯,东陵精细化学公司。丁腈改性酚醛树脂(济南圣泉海沃斯化工有限公司),产品规格:牌号PF-6530A;坡缕石:自制粉末,原矿来源于贵州大方。20目坡缕石比40目和60目坡缕石摩擦性能好[3],本实验采用20目坡缕石。蛭石:河北京石矿产加工厂。
实验过程中用到的仪器设备主要有搅拌器,恒温炉,恒温干燥箱,电子秤,傅里叶红外光谱分析仪, D-Ms定速式摩擦试验机,JSM-6400型电子扫描电镜等。
1.2 制备工艺
(1)湿法改性。
用硬脂酸与钛酸钾晶须混料,在100℃的水溶液中以900r/min转速搅拌10min,晾干,在干燥箱中100℃干燥,干燥2h,室温冷却[4]。
(2)干法工艺制样。
首先用电子天平(精确度为0.0019)称量各原料,原料配方如表1。将各成分放入混料机中,以800r/min转速搅拌5min。再经热压(20MPa)成型,温度160℃,时间10min。然后对产品进行热处理:本实验固化处理工艺为120℃/2h +150℃/2h+180℃/3h。
1.3 测试内容
1.3.1 改性效果分析
硬脂酸改性钛酸钾晶须试验采用湿法改性处理。用3%的硬脂酸改性钛酸钾晶须处理效果最好[4]。最佳工艺下硬脂酸与钛酸钾晶须的反应程度可以通过傅里叶变换红外光谱分析来定性判断。实验对硬脂酸、未改性以及改性前后的钛酸钾晶须试样进行了红外光谱测定和分析。
1.3.2 摩擦性能测试
按GB5763798,在咸阳新益摩擦密封设备有限公司D-Ms定速式摩擦试验机上进行性能测试。试样长宽25mm×25mm、厚5~7mm。测试转速5000r/min、正压力1225N。用在不同温度下的平均摩擦因数和磨损率,评价不同含量的钛酸钾晶须对坡缕石复合材料的摩擦材料性能影响。
2 结果与讨论
2.1 硬脂酸改性钛酸钾晶须结果分析
钛酸钾晶须有很多优点,也得到很广泛的应用,但在材料中易团聚和搭桥现象,采取改性处理,改善钛酸钾晶须与材料均匀分散是必要的[5,6]。
硬脂酸的化学式为CH3(CH2)16COOH,分子间靠氢键联接。硬脂酸属于阴离子表面活性剂,分子一端为长链烷基,其结构和聚合物分子结构近似,因而与有机高聚合物基料有一定的相容性;分子另一端为羟基,可与无机填料或颜料表面发生物理、化学作用。因此,硬脂酸表面处理钛酸钾晶须,可改善钛酸钾晶须与高聚物基料的亲和性,提高其在高聚物基料中的分散程度。另外,硬脂酸本身具有润滑作用,还可使复合体系的内摩擦力减少,改善复合体系的流动性能。为研究硬脂酸对钛酸钾晶须的改性效果以及硬脂酸与钛酸钾晶须的作用机理,试验对硬脂酸、未改性以及改性前后的钛酸钾晶须试样进行了红外光谱测定和分析,光谱曲线图如图1所示。
从图1中可见,钛酸钾晶须经硬脂酸改性后在波数2917.98cm-1和2850.56cm-1处出现了明显的CH3和 CH2的伸缩振动峰。在波数1855.95cm-1处出现了COO-的伸缩振动峰。说明硬脂酸在晶须的表面产生很强的物理吸附和化学作用。
2.2 钛酸钾晶须含量对复合材料的影响
2.2.1 摩擦因数分析
钛酸钾晶须的添加量,对复合材料的摩擦磨损性能是有影响的。本实验配方如表1,用5%,8%,10%,13%,15%(质量分数,下同)五个含量加入到相应的坡缕石树脂复合材料中,制备摩擦试样,进行摩擦磨损实验,摩擦性能参数中的摩擦因数改变情况如图2。
从图2中可以看出,加15%的钛酸钾晶须对坡缕石的摩擦因数影响大于其他含量的,跟未添加钛酸钾晶须复合材料比,摩擦因系波动幅度增大,这不利于材料的摩擦性能。原因可能是由于太多的钛酸钾晶须不易分散,也影响了其他材料的分散均匀性,摩擦材料的摩擦性能降低。添加钛酸钾晶须含量在5%,8%,10%,13%的试样摩擦因系曲线看,他们对材料的摩擦因数基本没有影响。
2.2.2 磨损率的分析
图3是摩擦实验中测得的磨损率变化情况。
从图3中可以看出,添加了钛酸钾晶须的坡缕石复合材料的磨损率多数都有所降低,但添加15%的钛酸钾晶须含量对坡缕石复合材料的耐磨性没有得到改善反而升高,可能是晶须含量增多导致晶须分散不均,材料之间勾连不均,出现应力集中,材料更容易磨损。10%的钛酸钾晶须含量对复合材料耐磨性有显著的改善,磨损率降低27.0%。13%的钛酸钾晶须含量的次之,磨损率降低21.8%。含量为8%的钛酸钾晶须,磨损率降低了19.4%。含量为5%的钛酸钾晶须磨损率降低了12.3%。
250℃以上的高温阶段,添加钛酸钾晶须的试样磨损曲线平滑,磨损率波动幅度不大,这说明钛酸钾晶须的耐高温性能改善了坡缕石高温结构水损失后的耐磨性急剧下降的状况。
从摩擦因数的改变和磨损率的变化情况综合分析,10%的钛酸钾晶须含量最有利于坡缕石复合材料的摩擦磨损性能改善。
2.3 SEM电镜扫描磨损面摩擦磨损机理探讨
选取了未加钛酸钾晶须的、最佳添加量10%和最差添加量15%的三个试样进行SEM扫描(如图4),来分析磨损表面形貌。
从磨损形貌来看,图4(a)没有钛酸钾晶须的加入,形成在摩擦面上的转移膜不完整,出现犁沟状,磨
损严重。图4(b)磨损形貌比图4(a)平整,形成了致密的转移膜,更耐磨损,原因可能是基于:贵州大方坡缕石纤维较长,一般为0.02~2mm,长径比比较大,钛酸钾晶须的平均直径0.1~1μm,长径比在10~100μm,长纤维在自我缠绕中,存在空隙,短纤维填补了这个空隙,长的坡缕石纤维与极短的钛酸钾晶须形成了勾连,并连接起整个长纤维形成一个有较强的力学性能的结构整体,增强了复合材料的各个方向的力学性能。钛酸钾晶须的显微增强作用得到发挥,复合材料更耐磨损。由于添加钛酸钾晶须较多,分散不均,易团聚(如图4(c)),也会导致坡缕石纤维的团聚,整个复合材料的摩擦性能下降,摩擦表面不平整,在高温下,出现有树脂烧蚀融化的形貌特征。
3 结论
(1)钛酸钾晶须在3%的硬脂酸处理下,发生了物理化学的作用,钛酸钾晶须的表面吸附了硬脂酸,钛酸
钾晶须更易分散。
(2)含量为15%的硬脂酸处理钛酸钾晶须加入到坡缕石复合摩擦试样后,摩擦因数波动幅度最大,其他几个添加含量跟没加钛酸钾晶须的摩擦因数比较,对复合材料的摩擦因数的影响不大。
(3)硬脂酸处理后的钛酸钾晶须在添加含量为10%时,平均磨损率最低,比未添加钛酸钾晶须的坡缕石复合材料降低了27%,复合材料耐磨性得到显著提高。
(4)由于钛酸钾晶须在改善耐磨性方面的优越性能,对它改性并研究合适的添加量来改善耐磨性差的坡缕石复合摩擦材料,在矿物纤维在非金属摩擦材料中的应用研究是具有重要意义的。
参考文献
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[5]陈卫平,冯新.钛酸钾晶须界面性质研究[J].物理化学学报,2004,(8):868-870.
摩擦处理 篇5
1.导尿管表面润滑性处理
在临床治疗中, 导尿管需要或长期或短期与机体组织接触, 每次插入或拔出组织时, 病人会有不同程度的灼烧疼痛感, 易引起相应的粘膜损伤, 甚至组织发炎。这主要由于导尿管表面材质与肌体组织的摩擦系数较大, 对此, 科研人员和医护人员采用了多种手段对导尿管的表面进行润滑处理, 以减轻患者医源性痛苦。
1.1石蜡油或络合碘外涂
石蜡油是矿物油的一种, 用棉球蘸取一定量涂抹在导尿管表面, 使之具有良好的润滑作用。但在临床应用中, 这种方法存在几点风险:1、棉球涂抹增加了细菌的感染几率;2、石蜡油不被粘膜吸收, 如操作不慎误入气管或渗入组织, 易引起其他病症。因此, 这种润滑方法逐渐被行业所淘汰。络合碘涂抹是近些年的新尝试和新研究。络合碘即为碘伏, 是由碘和非离子表面活性剂络合而成的, 是一种无毒、无味的传统杀菌剂。同时, 它又是一种水溶性试剂, 较强的粘膜渗透性使之作为导尿管润滑剂使用时兼具杀菌功效, 防止细菌经导尿管携带入膀胱, 降低泌尿系统感染的几率。这种外涂的方法简单易行, 成本较低, 但存在两个弊端: (1) 无法使导尿管每个部位得到充分润滑; (2) 在插管过程中, 润滑剂与尿道不断摩擦、持续损耗, 增加了导尿管与尿道的摩擦伤害。
1.2硅胶涂层
硅胶涂层导尿管主要是用可固化的硅胶弹性体通过浸渍、喷雾或刷抹等方法粘附在导尿管表层上, 形成一层硅胶弹性体润滑膜。经实践检验, 反复浸渍的方法效果最好, 可以有效控制涂层的总厚度及各部位的均匀性。当涂层达到规定厚度后, 将导管置于室温25˚C、10-50%RH条件下固化16h, 七天内该润滑膜达到理想的特性。这种采用硅胶涂层的导尿管可减少插入时与机体组织的摩擦和损伤, 降低感染的风险。
1.3水溶性润滑涂层
这种方法首先将稳定的聚合物溶液涂覆在导尿管表层, 烘干后, 将与之不发生化学反应的亲水聚合物作为表层键合在稳定聚合物涂覆层上, 再次烘干后即可成为固态水溶性润滑涂层。聚合物溶液宜选择具有较强附着性的纤维素酯类作为基材, 增加涂层与导管表层的牢固性。亲水聚合物的选择关系到涂层润滑效果的好坏, 聚乙烯吡咯烷酮 (PVP) 作为一种水溶性高分子化合物, 多年的临床应用证实了其具有良好的生理相容性和溶解性, 适宜作为导尿管的润滑层。在干态情况下, 经水溶性润滑涂层的导尿管与普通导尿管无异, 当涂层与水性液体接触时, PVP分子迅速吸收水分形成亲水凝胶层且不会脱落, 插管时起到充分润滑作用。经实验证明, 随着PVP涂覆含量的增加, 导管表面的摩擦系数逐渐减小, 这是由于PVP含量增加, 与导尿管表面缠结的PVP分子越多, 吸水后形成的水凝胶层越厚, 水分子的凝聚减少了导管基材与外界组织的摩擦面积, 摩擦系数相应降低。采用这种方法, 除了使导尿管对尿道的摩擦力得到最大程度的降低、减少了患者疼痛和感染的几率外, 安全性也大幅提升。
在PVP涂覆过程中, PVP的含水量会对润滑效果产生一定影响。由于自身特性和吸潮的原因, PVP原料的含水量在3%~5%, 经行业专家验证, 当含水量超过1%时, 涂覆易出现不均匀的现象, 导致润滑性不理想。因此建议涂覆前对PVP原料进行干燥处理, 使其含水量控制在合理的范围内。
2.导尿管摩擦系数测试
测试地点:兰光实验室
测试仪器:MXD-02摩擦系数仪
试样制备:取乳胶、PVC、PUR材质导尿管各36只。以乳胶导尿管为例, 每12只一组分为3组, 第一组为测试对照组, 第二组进行PVP润滑处理, 第三组进行石蜡油涂覆, 每组6只入水浸泡30s, 另6只入水浸泡24h。PVC和PUR材质导尿管同法制取试样。
测试方法:取测试对照组中入水浸泡30s的2只试样通过①试样夹紧装置固定在②V型凹槽板上, 向③储水槽注入水直至试样完全浸泡其中。将200g的④标准滑块轻放入于⑤试样上方, 由⑥传感器连接杆拖动滑块沿箭头所示方向以100mm/min的速度运动, 即可测出动摩擦系数, 最终取6只试样的平均摩擦系数值。同法测试另两种材质试样在不同浸泡时间下的摩擦系数, (图1) 。
测试结果见表1。
基于本次测试结果分析:就润滑效果而言, PVP明显好于石蜡油。同样在水中浸泡30s, 经PVP润滑处理过的导尿管摩擦系数较普通导尿管下降了85.27%~99.08%, 而经石蜡油涂覆的导尿管摩擦系数较普通导尿管仅下降了65.87%~67.21%。就润滑涂层的牢固度而言, PVP同样优于石蜡油。在水中浸泡24h后, PVP涂覆的三种材质导尿管的摩擦系数与浸泡30s时的数据没有任何变化, 而石蜡油涂覆的导尿管的摩擦系数均大幅上升了145.49%~157.17%, 几乎等同于同样条件下普通导管的摩擦系数。就三种材质而言, 乳胶和PVC材质的导尿管经PVP和石蜡涂覆后润滑效果优异, 无明显差别, 但PUR经润滑后效果相对较差, 具体原因有待进一步分析。
摩擦处理 篇6
1 实验方法
实验材料为Cr12MoV钢, 实验设备为SG2-5-12坩埚电阻炉, 采用铂铑-铂热电偶加热温度为1200℃, 由KSJ型温度控制器控制TD处理温度, 精度为±5℃。盐浴原材料由85% (质量分数, 下同) 无水硼砂基盐、4%还原剂FeSi45、9%供钒剂FeV50和2%活化剂NaF组成, 先用无水硼砂基盐启动盐炉, 然后再将供钒剂FeV50、活化剂NaF和还原剂FeSi45混合均匀加入到盐浴, 待其充分熔化后, 将Cr12MoV冷作模具钢浸在1200℃盐浴中保温6h后取出。在100℃水中煮沸6h后, 去除试样表面的基盐。再经过180℃低温回火2h后, 即可获得实验所需VC改性层。改性层表面形貌和化学元素组成用JSM-6360LA型扫描电子显微镜及配制的电子能谱仪分析, 并用HXD-1000型显微硬度仪测量改性层表面显微硬度。磨损实验在HSR-2M往复式摩擦磨损试验仪上进行, 摩擦副GCr15为钢柱, 载荷分别为400, 600g和800g, 实验时间为120min, 每分钟往复500次, 往复长度为5mm。
2 结果分析与讨论
2.1 表面形貌与EDS分析
TD处理形成的VC改性层的物相组成较复杂, 在770℃时, 供钒剂FeV50中V原子开始与从基体中置换出来的C原子发生V的碳化反应[10], 即
图1为VC改性层表面形貌与EDS分析结果。由图1 (a) 可见, TD处理后VC改性层表面平整, 覆盖性和致密度较好, 无缝隙和夹渣现象, 形成了完整的表面覆盖层。表面VC颗粒均匀分布于改性层中, 提高了改性层耐磨耐蚀性能。VC改性层表面EDS分析结果如图1 (b) 所示, 其化学元素为C 10.55%, V89.45%;原子分数为C 33.34%, V 66.66%, 改性层中C与V原子比例大约为1∶2。用HXD-1000型显微硬度仪测定其表面显微硬度为3050-3200HV, 而基体表面显微硬度仅为500HV-550HV, 形成了功能硬度梯度, 有效地提高冷作模具表面抗拉伤能力, 可以提高成形件的表面质量[11]。
图2为VC改性层-基体XRD衍射图谱。由图2可见, 基体中物相为M (马氏体) 和α-Fe, VC改性层的XRD衍射峰为VC, 不含脆性的σ (FeV) 相或α-Fe相。这表明改性层中σ相已完全分解, 盐浴中V原子以固溶体形式存在于α-Fe中, 具有很高的活性。在TD处理温度下碳化反应完全, 生成单一VC相, 改性层中无其他杂质元素。
2.2 界面形貌与EDS分析
VC改性层与基体结合界面形貌与EDS分析如图3所示。由图3 (a) , 可见, 涂层厚度大约5.3μm, 厚度比较均匀, 改性层晶粒较基体更致密, 其组织为由基体向外延生长的平面晶, 表明改性层-基体界面为冶金结合形式。对改性层界面进行EDS扫描分析, 观察V和C元素在改性层中分布规律, 001点化学元素为C11.51%, V 88.49%;原子分数为C 35.56%, V64.44%, 如图3 (b) 所示, 与图2 (b) 中能谱分析结果是一致的, 化学元素为V和C。002点化学元素原子数分数为C 31.68%, Si 0.53%, V 10.85%, Cr 5.12%, Fe 51.82%, 如图3 (c) 所示, 在界面处发生了部分化学原子的相互扩散, 是形成冶金结合的一个重要机制。003点化学元素原子分数为C 31.83%, V 14.89%, Cr31.56%, Fe 31.27%, Mo 0.44%, 如图3 (d) 所示, 主要为基体的化学元素。V和C元素主要存在于改性层中, 而在过渡区由于金属元素的相互扩散, 导致此处存在少量的Fe、Cr和Si等元素。
2.3 界面结合强度
划痕实验测量方式为声发射, 测试参数:加载载荷60N, 加载速率60N/min, 划痕长度6mm。划痕实验开始时, 表面无明显的痕迹。当载荷增大到一定程度时, 由于改性层与基体屈服强度不一致, 导致改性层与基体向不同的方向屈服, 此时摩擦力与摩擦因数有一突变, 同时改性层在划穿时局部崩裂或整体剥落, 划痕后表面形貌如图4 (a) 所示。划痕法测得改性层A划痕结合强度为52.1N, B划痕结合强度为50.3N, 如图4 (b) 所示。其平均结合强度为51.2N, 其临界载荷Lc超过了50N, 说明改性层界面结合状态良好。同时改性层在划痕过程中未发生脱落和开裂现象, 划痕边界出现了隆起现象, 这说明改性层具有良好的韧性[13], 有利于提高其抗划伤和冲击性能。
2.4 摩擦因数
图5为在不同载荷下改性层摩擦因数与磨损时间的变化关系。VC改性层经历了磨合到稳定的过程, 摩擦因数在磨损初期有大幅跳动, 然后达到一个稳定值, 摩擦因数曲线趋于一致。摩擦因数在摩擦开始阶段约为0.18, 在经过10min磨损期后, 摩擦因数迅速上升, 然后达到稳态的状态。其原因是在磨损初期VC改性层材料出现了明显的剥落, 随着剥落的改性层材料转移, 该阶段摩擦因数变化比较大。在400g载荷状态下, 稳态阶段的摩擦因数呈现下降的趋势, 由0.46下降至0.29。这表明此载荷下VC改性层表现出较好的减摩性能, 适用冷作拉伸模具的表面改性处理, 有利于提高产品的表面质量。当载荷为600g时, 稳态的摩擦因数有所提高, 且在稳态阶段变化趋势比较稳定, 摩擦因数维持0.48左右。这说明改性层表面粗糙度有所增大, 其结果是VC改性层表面发生了磨损, 在该阶段摩擦副之间接触性质发生变化, 为磨粒磨损。当载荷继续增大到800g时, 摩擦因数变化趋势与载荷为600g时一致, 但是摩擦因数比载荷为600g时有所增加, 在稳态阶段摩擦因数在0.54左右。摩擦因数增加的主要原因是VC改性层表面粗糙度进一步增大, 其中表面磨损与疲劳剥落是粗糙度增加的主要原因。
2.5 磨损后表面粗糙度
图6为VC改性层磨损前后粗糙度分析结果。用轮廓仪测量磨损前后VC改性层表面粗糙度, 放大倍率为51.40, 测量方式为垂直扫描干涉 (VSI) , 取样:163.42nm, 排列大小:736×480。原始状态表面粗糙度Ra为1.20μm, 表面比较平坦, 没有出现突峰或凹谷, 如图6 (a) 所示。磨损后表面粗糙度随着载荷的增大而有所增加, 这与图4中摩擦因数的变化趋势是一致。在载荷为400g时, 表面粗糙度Ra为1.45μm, 如图6 (b) 所示, 在图4中摩擦因数也表现为最小。当载荷为600g时, 表面粗糙度值Ra为2.41μm, 如图6 (c) 所示, 改性层表面磨损加剧。当载荷继续增加到800g时, 表面粗糙度值Ra为2.49μm, 如图6 (d) 所示, 表面发生了剧烈的磨损。这表明磨损后表面粗糙度的增加是导致摩擦因数增大的主要原因, 采用合理的载荷有利于减小粗糙度, 达到减小摩擦因数的目的。
2.6 磨损后表面形貌与能谱分析
图7为VC改性层磨损后表面形貌。由图7 (a) 可见, 在载荷为400g下磨损后表面未见到磨损的痕迹, 表面状态与图1 (a) 是一致的。改性层表面磨损非常轻微, 磨痕端部未见明显磨屑堆积, 此时磨损量未能测出, 这说明表面几乎没有发生磨损。当载荷增加到600g, 磨损加剧, 磨痕中心最大应力处开始出现明显的剥层损伤, 如图7 (b) 所示, 在改性层表面沿着滑动磨损方向形成了凹槽, 磨损量为0.0063g, 表面已经发生了明显的磨损。磨损后改性表面出现擦伤与表面材料脱落的现象, 在滑动方向形成划痕, 主要发生在磨粒与合金碳化物间[13,14]。当改性层中碳化物遇到比其硬度还要高的磨粒时, 碳化物由于硬度高而且脆性大, 裂纹就会发生在碳化物上或碳化物与基体之间, 导致材料的断裂或剥落。由于接触面很小, 微凸体顶部受到的载荷大, 经相互摩擦与咬合后发生脱落现象, 改性层出现局部剥落或VC相颗粒脱落。当载荷进一步增大为800g时, 改性层磨损明显加重, 磨损量为0.0132g, 是载荷600g磨损量的2.1倍, 这说明VC改性层发生了严重的磨损。同时, 在剪切应力和高接触应力作用下, 表层VC发生破碎现象, 在该处形成应力集中, 产生裂纹源[15]。磨痕中心形成疲劳剥落, 存在大量剥落坑, 如图7 (c) 所示, 改性层失效形式为是疲劳剥落。磨损后表面无明显的黏着痕迹, 表明高硬度的VC改性层具有优良的抗滑动摩擦磨损能力。
图8为VC改性层磨损后EDS分析。在400g载荷作用下, 磨损后VC改性层表面化学元素为C和V, 如图8 (a) 所示, 其化学元素原子分数为C 38.83%, V61.17%。这与图1 (b) 中能谱分析是一致的, 这说明图7 (a) 中VC改性层表面基本上未发现磨损现象。在600g载荷作用下, 磨损后表面化学元素也是C和V, 如图8 (b) 所示, 其化学元素原子分数为C35.13%, V 64.87%。与图7 (b) 中分析基本一致, 磨损后改性层表面没有磨穿, 仍为VC改性层, 这说明在此载荷下VC改性层表现出优良抗磨损性能。在800g载荷作用下, 磨损后改性层表面能谱分析如图8 (c) 所示, 其化学元素原子分数为C 32.82%, V65.53%, Fe 1.65%。C和V含量低于改性层中C和V含量, 出现了Fe元素, 这表明图7 (c) 中剥落层产生在结合界面以上的改性层中。随着加载的继续, 改性层逐渐减薄, 致使改性层磨损殆尽, 因此, 其磨损机制属于磨粒磨损和疲劳磨损。
3 结论
(1) 高硬度的VC改性层界面形成的冶金结合方式, 有利于提高其滑动磨损耐磨性。
(2) VC改性层稳态摩擦因数随着载荷增加明显上升, 这主要与表面的磨损状况和粗糙度有关, 合理地使用载荷可以改善摩擦副的接触, 可以有效地降低其摩擦因数。
(3) VC磨损后表面粗糙度随着载荷的增大而增加, 表面急剧磨损是粗糙度增加的主要原因。
(4) VC磨损主要形式为磨粒磨损和疲劳磨损, 其中磨粒磨损后表面出现划痕, 属于断裂-剥落机制;疲劳磨损后表面存在大量剥落坑, 应力集中是其失效的主要机制。
摘要：通过TD (热扩散) 处理方法在Cr12MoV冷作模具钢表面制备了一层VC改性层, 利用SEM, EDS, XRD和划痕法等手段对改性层组织形貌, 成分和结合强度进行了表征, 并与GCr15钢柱对磨进行了干摩擦滑动磨损实验, 研究其在不同载荷下摩擦性能和往复磨损特性。结果表明:改性层是由VC相组成, 其界面结合方式为冶金结合, 划痕法测得改性层平均结合强度为51.2N;稳态摩擦因数随着载荷的增加而增大, 合理的载荷减小摩擦因数和磨损量, 往复磨损机制主要为磨粒磨损;VC改性层能够显著提高Cr12MoV钢的表面硬度和承载能力, 可以显著改善其耐磨性能, VC改性层高硬度和结合强度是提高耐磨性的主要机制。
摩擦处理 篇7
玻璃纤维具有较高的强度和刚度,良好的导热性,且价格低廉,经常用于改善聚酰亚胺材料的摩擦学性能[7,8]。一般说来, 作为无机材料的玻璃纤维与热塑性树脂基体之间的亲和性都较差,这是由于缺少化学键合且界面层存在不相容组分,复合时容易在界面上形成空隙和缺陷,使增强相与基体材料难以形成有效粘结,而导致界面结合强度较低[9]。通常采用偶联剂对玻璃纤维进行表面处理,改善纤维与基体之间的润湿性,并提高复合材料的力学性能[10,11],但对于改善聚酰亚胺摩擦学性能研究鲜有报道。
前期工作[12]发现,玻璃纤维与热塑性聚酰亚胺基体之间的粘结性较差导致复合材料磨损较大,本研究采用不同硅烷偶联剂对玻璃纤维进行了表面处理,以改善玻璃纤维与树脂基体的粘结性能,考察了热塑性聚酰亚胺复合材料在干摩擦下的摩擦磨损性能,探讨了偶联剂改性玻璃纤维聚酰亚胺复合材料的增强机理。
1 实验
1.1 实验原料
实验所用聚酰亚胺模塑粉(TPI),黄色粉末状固体,密度1350kg/m3,玻璃化温度(Tg)为260 ℃,自制;无碱玻璃纤维粉(GF),直径5μm,长径比9～40,南京玻璃纤维研究设计院提供;硅烷偶联剂KH-550,KH-560,KH-570,结构性能见表1,金坛市华东偶联剂厂提供。
1.2 试样制备
玻璃纤维的表面处理过程:玻璃纤维先在120℃下烘干2h,将玻璃纤维加入到高速搅拌器中,取一定量[11]的偶联剂然后配成质量分数2%的溶液,滴加到玻纤中,高速搅拌2～3min;然后放在烘箱里面120 ℃烘干2h,制得表面处理过的玻璃纤维。
复合材料制备:将聚酰亚胺粉料和不同粒径玻璃纤维(50,100,300目)按10%,20%,30%,50%的质量比例机械混合均匀,热模压成型,模压温度340℃、压力12MPa,保温保压1h,降温至100℃脱模即得到复合材料模压件。机加工成尺寸为60mm×6mm×4mm的样条和尺寸为ϕ(34～25)mm×6mm的摩擦环试样。
1.3 性能测试与表征
采用CMT-4204微机控制电子万能试验机和ZBC-4B摆锤冲击试验机(深圳市新三思计量技术有限公司)分别按国标GB/T1040-92,GB/T1042-92测定材料拉伸和弯曲性能,冲击性能测试试样形状采用无缺口标准小试样。
材料摩擦磨损性能测试采用MPX-2000摩擦磨损试验机,摩擦接触形式为环-环式,摩擦对偶件为45# 钢(表面热处理后硬度为40～45HRC),尺寸ϕ(34～22)mm×6mm,线性滑动速度为0.5m/s,载荷0.5MPa,测试时间为120min。试验前用600# 氧化铝耐水砂纸打磨抛光试样和对偶件并用丙酮清洗干净。摩擦系数通过测量摩擦力矩确定,利用热电偶测量摩擦表面温度,并均由摩擦试验机自动记录。
采用FEI公司的QUANTA200型低真空扫描电子显微镜(ESEM)观察材料磨损表面的形貌特征。
2 实验结果及讨论
2.1 TPI复合材料力学性能
表2列出了三种偶联剂处理30%GF增强TPI复合材料力学性能,并与未处理的复合材料作了比较,其中偶联剂含量为GF含量的0.2%(质量分数,下同)。从表中可以看出,相对于未处理的GF增强TPI复合材料,经过偶联剂表面处理的GF填充TPI复合材料的力学性能均有明显提高。其中KH-550处理得到的TPI复合材料力学性能增高幅度最大,与未处理的复合材料相比,拉伸强度提高了25.8%,弹性模量提高24.5%,弯曲强度提高了20.2%,冲击强度提高了49.5%;相对于KH550和KH570,KH-560处理效果稍差,复合材料的力学性能差仅比未处理的体系略有提高。
硅烷偶联剂在水或者无水乙醇中可以通过水解生成硅醇,与GF表面硅羟基形成氢键,在高温条件下硅醇与硅醇及硅醇与GF表面可进一步发生醚化反应形成了图1的结构[13]。
本工作所用的聚酰亚胺分子链中含有酰亚胺特征官能团,分子链端含有氨基,与KH550分子中的氨基有较强的亲和力,能使界面较好的粘结,具有很好的相容性(见图2),提高复合材料的性能。同时实验发现,含有羰基和不饱和键的KH570与TPI树脂有一定的相容性,所以起到了一定的增强效果。而KH560的R基为环氧基团相对于KH550的氨基和KH570的羰基,与TPI的特殊酰亚胺环结构差别较大,与TPI的相容性相对较差,导致GF和TPI之间的界面结合力相对较低。
2.2 表面处理对TPI复合材料摩擦学性能的影响
三种偶联剂处理30%GF改性TPI复合材料摩擦磨损性能见图3,其中偶联剂含量为GF含量的0.2%。从图中可以看出,经过偶联剂处理的TPI/GF复合复合材料的磨损率和摩擦系数明显低于未用偶联剂处理的复合材料,其中KH550处理的复合材料摩擦系数和磨损率下降幅度最大,分别降低了12.5%和13%,KH570处理后复合材料的磨损率和摩擦系数稍高于KH550,但与KH560相比明显减小。
纤维和基体之间的界面应力传递能力的大小取决于界面粘接情况。未经偶联剂处理的TPI/GF复合材料在摩擦过程中,由于纤维和树脂间的界面结合强度较低,纤维易从树脂基体中脱落,造成磨粒磨损相对较严重,材料的磨损率较大,而同时由于摩擦热的影响,摩擦系数也较大。经过偶联剂处理的GF与TPI树脂基体的界面结合强度明显提高,试样在与对偶件进行摩擦的过程中,界面的应力传递作用明显,使GF在复合材料中有效地参与承载。由于KH550偶联剂中的氨基与TPI基体中氨基的亲和力,使界面粘结较好,在摩擦过程中,玻璃纤维不易从树脂中脱落,降低了材料的磨粒磨损,从而复合材料的磨损率和摩擦系数下降,其基本规律与力学性能保持一致。
2.3 KH550处理不同含量的玻璃纤维改性聚酰亚胺摩擦性能
研究发现[14],KH550含量达到GF含量 0.5%时,TPI复合材料的力学性能最优,因此考察了相同处理条件下不同含量GF增强TPI复合材料的摩擦磨损性能,结果见图4。从图中可以看出,GF的加入明显降低了复合材料的磨损率,GF含量为10%时复合材料磨损率比纯TPI树脂降低了76%,随着GF含量的增大,TPI/GF复合材料的磨损率逐渐增大,但增加幅度不大,复合材料的摩擦系数相比纯TPI树脂略微有所增大。
GF作为刚性增强材料,加入到TPI树脂中,对复合材料起到增强作用,提高复合材料的力学性能,在摩擦过程中有效承载,降低材料的磨损。尤其是在偶联剂处理后,如图2b所示,GF与基体间的界面结合良好,基体将所承受的载荷通过界面传递给GF,发挥出GF的增强作用。随着玻纤含量的增大,GF在TPI基体中的承载作用进一步增强,但过多的纤维在摩擦过程中从基体脱离形成磨屑,造成磨粒磨损加剧,材料的磨损率增加。GF的刚性本质一方面提高了复合材料的力学性能,另一方面也导致复合材料在摩擦过程中抗剪切能力的提高,增大了摩擦系数。
2.4 KH550处理不同尺寸的玻璃纤维改性聚酰亚胺摩擦性能
通常纤维增强聚合物基复合材料的摩擦学性能受纤维方向、纤维含量以及纤维特性等多种因素的影响。本研究考察了0.5% KH550处理相同含量(30%)不同尺寸GF增强TPI复合材料的摩擦磨损性能,结果见图5。从图中可以看出,复合材料的摩擦系数和磨损率随GF粒径的增大而降低,即GF尺寸越小复合材料的摩擦学性能越好。
在纤维增强树脂基摩擦材料中,纤维的尺寸对材料的摩擦和磨损性能有很大影响[12]。对于TPI/GF复合材料,当GF的尺寸较小时,在TPI树脂基体中的分散性良好,经过偶联剂处理后与TPI基体相容性较好,形成良好的界面粘结,能够降低复合材料的剪切强度,减小材料的摩擦系数和磨损率。同时硅烷偶联剂作为低分子材料,在摩擦过程中也可能起到一定的润滑作用。当GF尺寸增大时,由于其混合性能变差,难以与树脂基体混合均匀,其受压后的回弹性很严重,使加工性能变差,造成材质疏松[15],使界面结合强度变低,导致玻璃纤维被拉出和剥落形成磨粒磨损,复合材料摩擦系数和磨损率增大。
2.5 磨损表面形貌分析
图6分别显示了不同含量与尺寸的GF经偶联剂处理填充TPI复合材料的磨损表面形貌。从图中可以看出,未经偶联剂处理的GF/TPI复合材料磨损表面存在大量的沟槽,并残留部分断裂的纤维,复合材料磨损以磨粒磨损为主并伴有轻微粘着磨损(图6a);GF经过KH550处理后,复合材料磨损表面呈现明显粘着现象,材料磨损以粘着磨损为主(图6b),同时可见GF与基体间界面结合较好。由图6c可见,当GF含量为10%时,复合材料磨损表面有少量裸露的纤维,并伴随有较浅的犁沟,可见其磨损形式主要是粘着转移和轻微的磨粒磨损;当GF含量达到50%时,材料表面裸露的纤维增多,纤维断裂严重(图6d),复合材料磨损以磨粒磨损为主要机理。GF尺寸为50目时(图6e),材料磨损表面相当粗糙,大尺寸的GF与树脂基体结合较差,被拉出形成严重磨粒磨损;300目GF填充TPI复合材料磨损表面(图6f)呈现磨粒磨损和轻微粘着磨损特征,GF与树脂基体结合相对较好。
TPI的磨损本质是其在外力作用下,大分子链发生滑移或断裂,从而使材料转移到偶件表面,形成粘着磨损[16]。在TPI中填充GF后,提高了其抗压强度、硬度和抗蠕变性能。当其与金属偶件对摩时,GF起承载作用,同时也相对束缚了TPI大分子,所以其耐磨性明显提高。综合摩擦学性能测试结果和磨损表面SEM观察,认为偶联剂处理的GF填充TPI复合材料的界面结合力得到明显改善,具有良好的界面性能,有效地抑制了TPI的大规模转移,从而降低了复合材料的磨损。
3 结论
(1)经表面处理的GF填充TPI复合材料的力学性能和摩擦磨损性能比未经处理的复合材料均有提高,以KH-550处理GF得到的复合材料性能最好。
(2)随着玻璃纤维含量的增大,KH550处理TPI/GF复合材料的磨损率逐渐增大,摩擦系数相对于纯TPI略有增加,纤维尺寸较小时TPI复合材料的磨损率和摩擦系数较低。
(3)经表面处理的GF与TPI基体之间形成了良好的界面,GF/TPI复合材料的磨损以粘着磨损与磨粒磨损为主。
摘要：采用不同硅烷偶联剂对玻璃纤维(GF)进行表面处理,制备了热塑性聚酰亚胺(TPI)复合材料,考察了纤维含量及粒径对复合材料摩擦学性能的影响,并利用SEM分析了磨损机理。研究表明:经表面处理的GF填充TPI复合材料的力学性能和摩擦磨损性能均有提高,以KH-550处理效果最好;随着GF含量的增大,KH550处理的TPI复合材料的磨损率逐渐增大,摩擦系数比纯TPI略有增大;复合材料的磨损率与摩擦系数随纤维粒径的减小而降低;SEM显示处理后的GF与基体之间形成了良好的界面,复合材料的磨损以粘着磨损与磨粒磨损为主。
摩擦处理 篇8
既然研究“摩擦力的秘密”, 那么, 这一课的重点就在“秘密”上, 摩擦力的秘密究竟在哪里呢?很多老师都是按照教材上内容, 把研究的对象放在“影响摩擦力大小的‘物体重量’和‘接触面的光滑程度’两个因素上。但只要稍加注意, 我们就会发现, 这两个影响因素在学生那里早就不是“秘密”了, 他们在这方面的生活经验和积累太多了, 不需要实验研究就知道怎么回事。所以, 在研究这一课时, 我们可以把概念的内涵和外延进行适当的拓展, 引领学生走进真正的“秘密”深处。
一、摩擦力的秘密深藏在概念的理解上
教材上认为, 摩擦力的大小与“物体的重量”有关。其实, 这种说法是不规范的, 也可以说是错误的。因为摩擦力是由物体的压力决定的。如果一个物体在一个水平面上运动, 该接触面上的摩擦力可以说成是物体的重量 (这时, 物体重量等于物体对接触面的压力) , 但是, 当物体在斜面上滑行时, 只能说摩擦力与物体的压力有关 (这时, 物体重量不等于物体对接触面的压力) 。另外, 对于摩擦力的大小与接触面的光滑程度有关, 这一表述也不严谨。因为, 不同材料物体的表面, 其产生的摩擦力大小也是不一样的。比如橡皮表面光滑, 毛巾表面粗糙, 但同样的一块小木块在这两个接触面上运动所产生的摩擦力大小与教材上的表述相反。这就要求学生知道, “光滑程度”是相对于同一种物质材料而言的。还有, “拉力大, 摩擦力就大。”这种说法也是欠妥的, 物体匀速和变速运动时, 拉力不同, 但摩擦力是一样的。学生认为:“只有物体运动了, 才会产生摩擦力。”其实, 除此之外, 当物体有运动趋向时, 虽然没动起来, 但依然产生了摩擦力。
二、摩擦力的秘密深藏在运动的方式上
1. 物体被带动时的摩擦力。
通常看来, 摩擦力的方向与物体运动的方向相反。但有时也不全是这样。比如:一个物体放在传送带上, 并随传送带一起由低处向高处匀速运动, 这时物体在斜向上运动的过程中, 它相对于传送带是静止的, 由于传送带倾斜, 使得物体具有沿传送带斜向下运动的趋势, 根据摩擦力方向的规定, 可知摩擦力是向斜上方的, 正好就是物体运动的方向。还有, 当物体随着传送带在一条水平线上匀速运动时, 此时的物体受到传送带对它的摩擦力应为0。
2.物体静止时的摩擦力。
物体是否受摩擦力, 与物体处于静止状态或运动状态没有直接的关系。关键是看物体相对于与其接触的物体是否有相对运动或有相对运动的趋势。
如图, 放在斜面上静止的物体是否受摩擦力?
放在斜面上静止的物体, 在自身重力的作用下有相对于斜面下滑的趋势, 所以受到斜面给它的一个沿斜面向上的摩擦力。假定物体不受摩擦力, 物体必然在重力的作用下沿斜面向下运动, 而不再处于静止状态。
三、摩擦力的秘密深藏在拉力的变化上
教材认为, 物体的摩擦力有多大, 拉力就有多大。这只是在很有限的范围内适用, 也就是说, 只有当拉力与物体运动方向完全相同, 且匀速运动时, 摩擦力才等于拉力。否则, 拉力就会与摩擦力错位, 主要表现在两个方面:
1.摩擦力不会随拉力的变化而变化。
比如:木块重20N, 在3N水平向右的拉力作用下, 沿水平桌面做匀速直线运动, 木块受到的摩擦力为3N;当水平拉力增大为5N时, 木块受到的摩擦力仍为3N。因为当拉力增大为5N时, 由于支持力大小、接触面均不变, 故而滑动摩擦力的大小、方向均不变。再比如:重为100N的木箱放在水平地面上, 用5N的水平力推, 木箱不动, 此时木箱所受摩擦阻力为5N;改用8N的水平力推, 木箱仍不动, 此时木箱所受摩擦阻力仍为8N。原因很简单, 由于木箱均静止, 由力的平衡知识, 便可推出摩擦力的大小。
还有, 手握住一个瓶口朝上的瓶子, 保持竖直方向静止在空中, 而且不断增大手的握力。按照惯常的思维, 压力越大, 摩擦力越大。其实, 这是错误的。因为, 对滑动摩擦力和静摩擦力大小的决定因素理解不清。由于瓶子与手之间是静摩擦。且瓶子静止在空中, 瓶子处于平衡状态, 应受平衡力作用, 所以在竖直方向除受重力之外还受一个竖直向上的摩擦力作用, 且摩擦力的大小与重力大小相等, 由于瓶子的重力大小不变, 所以尽管手的握力增大但摩擦力大小不变。
2. 摩擦力会随着拉力的变化而变化。
比如:用同样大小的作用力F, 分别以平推、向斜下方推、往斜上方拉三种方式对木块施加力, 使木块向右运动, 由于拉力的方向不同, 致使每一次接触面之间的压力也不一样, 于是, 每一次产生的摩擦力的大小也不一样, 向斜下方推木块的摩擦力最大, 往斜上方拉木块的摩擦力最小。