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干摩擦和水潤滑摩擦條件下摩擦系數隨磨損時間的變化
閱讀：1161發布時間：2023-5-16
一、環氧樹脂/聚服復合材料的摩擦磨損
環氧樹脂與聚脈基聚醚C Polyurea混合后形成環氧樹脂/聚脈復合材料，其中聚脈的含量為1 Owt.。本節將考察不同試驗條件下，純環氧樹脂和環氧樹脂/聚脈復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，環氧樹脂及環氧樹脂/聚脈復合材料的摩擦系數和磨損質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定，純環氧樹脂的摩擦系數較高，加入聚脈后，摩擦系數明顯降低(圖4-1 >。所有材料的磨損質量損失都隨磨損時間的延長而增大，純環氧樹脂的磨損質量損失要顯著高于環氧樹脂/聚脈復合材料的磨損質量損失(圖4-2 >。相同的實驗條件下，環氧樹脂/聚脈復合材料的摩擦系數和磨損質量損失都比純環氧樹脂的摩擦系數和磨損質量損失低。
圖4-3和圖4-4所示為水潤滑條件下，接觸載荷為98N時，環氧樹脂及環氧樹脂/聚脈復合材料的摩擦系數和磨損質量損失隨磨損時間的變化曲線。可見，環氧樹脂/聚脈復合材料的摩擦系數明顯低于純環氧樹脂的摩擦系數，而且純環氧樹脂的摩擦系數隨著磨損時間的延長而逐漸增加，而環氧樹脂/聚脈復合材料的摩擦系數則相對比較穩定(圖4-3 >;純環氧樹脂和環氧樹脂/聚脈復合材料的磨損質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，環氧樹脂及環氧樹脂/聚脈復合材料的摩擦系數均比干摩擦時低，但是磨損質量損失卻比干摩擦時高，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氧樹脂的摩擦系數和磨損質量損失，提高了復合材料的耐磨性。
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，環氧樹脂及環氧樹脂/聚脈復合材料的磨損表面形貌的SEM照片。由圖4-5 ( a可見，純環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，環氧樹脂/聚脈復合材料的磨損表面有細小的裂紋，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，提高了環氧樹脂/聚脈復合材料的韌性，從而提高了復合材料的耐磨性。
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，環氧樹脂和環氧樹脂/聚脈復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，由于純環氧樹脂較脆，在周期性摩擦力作用下，聚合物發生強烈力降解而產生脆性剝落，使材料的耐磨性能顯著下降，磨損表面樹脂基體發生微觀片狀脫落，這與其高載荷下較差的抗磨性相對應。圖4-6(b>為環氧樹脂/聚脈復合材料經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，環氧樹脂復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則，而環氧樹脂/聚脈復合材料的磨損表面的掃描電鏡照片表明，部分聚脈粒子發生了塑性變形(圖4-6 ( c，表明聚脈的加入，提高了韌性，吸收了摩擦剪切能，從而提高了復合材料的耐磨性。從圖4-6 (b>和(CJ可以看出環氧樹脂/聚脈復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，環氧樹脂/聚脈復合材料的磨損前的碎屑及磨屑的FT-IR譜圖。可見，復合材料的紅外譜圖相當復雜，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，環氧樹脂表面己被氧化。
聚脈是通過縮聚反應合成的，當溶解在某種溶劑時，一定量的聚脈會解聚而產生聚合，形成一個平衡的縮聚反應。此時，聚脈是溶質，環氧樹脂是反應性溶劑。環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，聚脈大分子由于該反應而不能聚合，使得平衡發生移動，以降低聚脈的分子量。圖4-8所示為120 0C下環氧端基和聚脈共聚體的反應方程式，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氧端基反應，生成H-O鍵。
圖4-9所示為純環氧樹脂與環氧樹脂/聚脈復合材料磨損前碎屑的FT-IR譜圖。可見，與純環氧樹脂相比，環氧樹脂/聚脈復合材料中的H-O鍵的吸收峰明顯強于C-O鍵的吸收峰。這是由于環氧樹脂/聚脈復合材料中環氧端基與聚脈反應，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所示的反應方程式的分析結果一致。環氧端基與聚脈的反應使得更多的環氧分子融入分散相中，從而提高了復合材料的耐磨性。
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