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摘要：文章制備了zro2纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，并研究了其摩擦學(xué)性能。研究發(fā)現(xiàn)，氧化鋯纖維相對于氧化鋯粉體可改善復(fù)合材料的磨損率，當(dāng)氧化鋯纖維的含量為30%時(shí)復(fù)合材料的摩擦學(xué)性能最優(yōu)，磨損率可以達(dá)到10－5mm3/（N•m）數(shù)量級。該結(jié)論可指導(dǎo)其他纖維自潤滑材料的制備及性能改善，開發(fā)出兼具優(yōu)異力學(xué)性能和摩擦學(xué)性能的ZrO2纖維復(fù)合材料。

關(guān)鍵詞：ZrO2纖維；復(fù)合材料；環(huán)氧樹脂；摩擦學(xué)性能

高性能纖維通常指具有高強(qiáng)度、高模量、耐高溫、耐摩擦、耐化學(xué)藥品腐蝕等性能的纖維，在航空、航天、國防軍工、汽車工業(yè)等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。進(jìn)一步提高特種纖維及其復(fù)合材料的性能一直是特種纖維研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。氧化鋯（ZrO2）纖維在高溫環(huán)境下耐氧化、耐腐蝕、強(qiáng)度高、不揮發(fā)、無污染，是一種能夠在1600℃以上超高溫環(huán)境下長期使用的輕質(zhì)多晶耐火纖維材料。目前ZrO2纖維已被廣泛應(yīng)用于材料的增韌，如ZrO2纖維增韌ZrB2復(fù)合材料、ZrO2纖維和碳纖維增韌ZrB2復(fù)合材料、ZrO2纖維和SiC纖維增韌ZrB2復(fù)合材料、ZrO2纖維增韌Al2O3復(fù)合材料等，都取得了不錯(cuò)的增韌效果，應(yīng)用于航天飛機(jī)絕熱與結(jié)構(gòu)增強(qiáng)材料，導(dǎo)彈、火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴管喉部、內(nèi)襯用高溫穩(wěn)定材料等領(lǐng)域。近年來，織物摩擦學(xué)興起，以纖維織物作為表面層、金屬或非金屬材料為基體、通過黏接形成的承載能力高、摩擦系數(shù)低、耐磨壽命長的纖維織物軸承材料，因具有很高的使用價(jià)值而成為研究熱點(diǎn)。目前該類材料在國外已廣泛應(yīng)用于航空、航天及汽車等領(lǐng)域。由于性能優(yōu)異，眾多高性能纖維，如碳纖維、玻璃纖維和芳綸等都被制備成織物復(fù)合材料并試圖將其應(yīng)用于摩擦學(xué)領(lǐng)域。ZrO2纖維具有優(yōu)異的性能，以ZrO2纖維為基體制備新型的基于摩擦學(xué)的ZrO2纖維復(fù)合材料是一種值得嘗試的途徑。目前鮮有關(guān)于制備ZrO2纖維復(fù)合材料并研究其摩擦學(xué)性能的報(bào)道。本文采用ZrO2纖維和環(huán)氧樹脂制備ZrO2纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，并研究了其摩擦學(xué)性能。

1實(shí)驗(yàn)部分

1.1原料及樣品制備

1.1.1原料ZrO2長絲（南京理工宇龍新材料科技股份有限公司），純度（ZrO2+穩(wěn)定劑）≥99.7%，晶相組成為四方相或全穩(wěn)定立方相，直徑為3～10μm，熔點(diǎn)2700℃，長期使用溫度為2200℃，常溫?zé)釋?dǎo)率≤0.11W/（m•K）；ZrO2粉體（國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司），粒徑1～5μm；環(huán)氧樹脂DY－E005（湖南把兄弟新材料股份有限公司）。1.1.2樣品制備ZrO2纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料樣品制備：分別按比例（混合物總重量的10%、20%、30%和50%）稱量ZrO2纖維和環(huán)氧樹脂，所制備的ZrO2纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料樣品分別標(biāo)記為10ZH、20ZH、30ZH和50ZH。為使ZrO2纖維分布均勻，將ZrO2纖維與環(huán)氧樹脂混合后用攪拌器中攪拌10min，取出，放入事先準(zhǔn)備的模具中固化。固化溫度為室溫、不加壓，固化6h后加8kPa壓力，再固化24h。將試樣從模具中取出，用切割機(jī)加工成2cm×2cm的樣品，用SiC砂紙和金相砂紙逐級打磨樣品并用表面粗糙度測試儀測試樣品粗糙度，至樣品表面的粗糙度為0.3μm。ZrO2粉體/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料樣品制備：用與ZrO2纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料相同的方法制備ZrO2粉體/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料樣品，用于做對比實(shí)驗(yàn)，ZrO2粉體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%，制備的復(fù)合材料樣品標(biāo)記為10FH。

1.2摩擦學(xué)性能表征

在CFT－I型材料表面性能綜合測試儀上測試復(fù)合材料的摩擦學(xué)性能，采用往復(fù)式摩擦（往復(fù)半徑為5mm）。測試條件為：載荷10～50N，測試時(shí)間10～30min，轉(zhuǎn)速500～2000r/min，同一條件下的實(shí)驗(yàn)至少重復(fù)3次保證數(shù)據(jù)的真實(shí)性和可重復(fù)性；對磨材料為鋼球，直徑6mm。利用CFT－I型材料表面性能綜合測試儀配套的表面粗糙度測試儀測試劃痕深度和磨損量。根據(jù)式（1）計(jì)算復(fù)合材料的磨損率。式（1）中，R代表磨損率，mm3/（N•m）；V為磨損體積，mm3；n為加載載荷，N；S為總滑動(dòng)距離，m。磨損率測試后，用酒精棉清潔磨損表面，吹干后表面噴金，用掃描電子顯微鏡（SEM，JSM－5600LV）觀察微觀結(jié)構(gòu)和磨損表面形貌。

2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1ZrO2纖維含量對復(fù)合材料摩擦性能的影響

ZrO2粉體及不同纖維含量的環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的摩擦系數(shù)如圖1所示。由圖1可以看出，ZrO2粉體/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的摩擦系數(shù)較低，在0.4左右。用ZrO2纖維取代ZrO2粉體后，復(fù)合材料的摩擦系數(shù)有較大變化。當(dāng)ZrO2纖維含量較低，為10%和20%時(shí)，復(fù)合材料的摩擦系數(shù)與10FH相當(dāng)；當(dāng)ZrO2纖維的含量為30%時(shí)，復(fù)合材料的摩擦系數(shù)在0.55左右。可見隨著ZrO2纖維含量的增加，復(fù)合材料摩擦系數(shù)有增加的趨勢。當(dāng)ZrO2纖維的含量為50%時(shí)，復(fù)合材料的摩擦系數(shù)進(jìn)一步升高，基本穩(wěn)定在0.80左右。圖1ZrO2粉體及纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的摩擦系數(shù)ZrO2粉體及纖維含量為10%的環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的磨損率如圖2所示。由圖2可知，10FH的磨損率為9.87×10－5mm3/（N•m），低于10ZH的1.52×10－4mm3/（N•m）；當(dāng)ZrO2纖維的含量升高到20%時(shí)，復(fù)合材料的磨損率降低至9.72×10－5mm3/（N•m）；ZrO2纖維的含量為30%時(shí)，復(fù)合材料的磨損率降至最低為，為7.88×10－5mm3/（N•m）；當(dāng)ZrO2纖維含量進(jìn)一步升高到50%時(shí)，復(fù)合材料的磨損率反而增加，達(dá)到2.01×10－4mm3/（N•m）。綜合分析，ZrO2纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的摩擦系數(shù)隨ZrO2纖維含量升高而變大，是因?yàn)閆rO2纖維的硬度比環(huán)氧樹脂的硬度高得多，在摩擦?xí)r硬度較低的環(huán)氧樹脂會(huì)發(fā)生塑性變形起到固體潤滑劑的作用。ZrO2纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的磨損率隨著ZrO2纖維的含量增加先降低再上升，是因?yàn)楫?dāng)ZrO2纖維含量較少時(shí)，環(huán)氧樹脂可以很好地黏結(jié)ZrO2纖維，這樣ZrO2纖維就可以起到更好的增韌和減磨作用；而當(dāng)ZrO2纖維含量較高時(shí)，環(huán)氧樹脂對ZrO2纖維的黏合力減弱，ZrO2纖維的作用由增韌和減磨轉(zhuǎn)變?yōu)閯兟洌M(jìn)而使材料的磨損增大。與ZrO2纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料相比，ZrO2粉體/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料在同樣條件下的摩擦系數(shù)和磨損率都較低，是因?yàn)閆rO2粉體與ZrO2纖維相比體積更小，剝落現(xiàn)象更弱；另外ZrO2粉體的支撐作用更弱，使得ZrO2粉體/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料更易塑性變形進(jìn)一步形成光滑的磨損表面；但ZrO2粉體沒有增韌作用，綜合力學(xué)性能較差。

2.2施加載荷對復(fù)合材料摩擦性能的影響

綜合考慮2.1的測試結(jié)果，得出30ZH的摩擦學(xué)性能最優(yōu)，為進(jìn)一步研究其在不同條件下的摩擦學(xué)性能，測試了該材料在不同載荷條件下的摩擦系數(shù)和磨損率，如圖3所示。由圖3可知，當(dāng)施加載荷分別為5和10N時(shí)，30ZH的摩擦系數(shù)分別為0.52和0.55；當(dāng)施加載荷增加到20N時(shí)，該材料的摩擦系數(shù)迅速下降到0.4；當(dāng)施加載荷進(jìn)一步增加至50N時(shí)，其摩擦系數(shù)降至最低，為0.35。在低載荷時(shí)，復(fù)合材料的磨損率較低——5和10N載荷下30ZH磨損率分別為7.25×10－5和7.88×10－5mm3/（N•m）；隨著施加載荷的增大，復(fù)合材料的磨損率迅速升高——20和30N載荷下，復(fù)合材料的磨損率分別增至2.73×10－4和1.19×10－3mm3/（N•m）；此后當(dāng)施加載荷繼續(xù)升高時(shí)磨損率基本保持不變。隨著施加載荷的增加，復(fù)合材料的摩擦系數(shù)由高變低是因?yàn)檩d荷增大后環(huán)氧樹脂更易發(fā)生塑性變形也更容易提供潤滑；磨損率由小變大后逐漸平穩(wěn)是因?yàn)檩d荷較小時(shí)ZrO2纖維剝落較少。

2.3滑動(dòng)速度對復(fù)合材料摩擦性能的影響

不同的滑動(dòng)速度可能導(dǎo)致不同的摩擦磨損機(jī)理，因而滑動(dòng)速度對材料的摩擦學(xué)性能也有很大影響。圖4為30ZH在不同滑動(dòng)速度下的摩擦系數(shù)和磨損率。由圖4可知，隨著轉(zhuǎn)速的增加，復(fù)合材料的摩擦系數(shù)逐漸下降，當(dāng)轉(zhuǎn)速為500r/min（0.08m/s）時(shí)，復(fù)合材料的摩擦系數(shù)為0.7；轉(zhuǎn)速為2000r/min（0.33m/s）時(shí)，摩擦系數(shù)降至最低，為0.22。磨損率的測試結(jié)果與摩擦系數(shù)相反，當(dāng)轉(zhuǎn)速為500r/min時(shí)，復(fù)合材料的磨損率為8.59×10－5mm3/（N•m）；當(dāng)轉(zhuǎn)速為1000r/min（0.17m/s）時(shí)，磨損率最低，為7.87×10－5mm3/（N•m）；而隨著轉(zhuǎn)速的進(jìn)一步增加，磨損率迅速增加，轉(zhuǎn)速為到2000r/min時(shí)磨損率最高，為2.04×10－4mm3/（N•m）。ZrO2纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的摩擦系數(shù)隨滑動(dòng)速度升高而降低，磨損率隨滑動(dòng)速度的升高而升高，是因?yàn)槟Σ了俣仍礁吣Σ猎絼×遥Σ翢嵋簿驮酱螅蚨鴺悠犯咚倌Σ習(xí)r磨損表面的溫度比低速摩擦?xí)r的溫度高很多，材料更容易發(fā)生塑性變形，進(jìn)一步形成光滑的磨損表面，同時(shí)ZrO2纖維也更容易從復(fù)合材料中剝離，這就造成了更嚴(yán)重的磨損。

2.4復(fù)合材料的磨損表面分析

圖5給出了ZrO2粉體和纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的磨損表面。從圖5（a）可以看出，ZrO2粉體/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的磨損表面局部光滑平整，但也有剝落較為嚴(yán)重的地方，這是因?yàn)閆rO2粉體的硬度比環(huán)氧樹脂的硬度大得多，材料的磨損主要是磨粒磨損，ZrO2粉體富集的地方磨損嚴(yán)重，ZrO2粉體較少的地方磨損表面光滑。ZrO2纖維則能夠起到很好的支撐作用，從圖5（b）中可以看出，暴露在表面的ZrO2纖維被磨平；而當(dāng)ZrO2纖維的含量增加后，復(fù)合材料的磨損表面出現(xiàn)了ZrO2纖維剝落的現(xiàn)象，這種剝落隨著ZrO2纖維的含量升高而愈加嚴(yán)重（圖5（c）和圖5（d））。

3結(jié)論

（1）本文研究了不同ZrO2纖維含量的ZrO2纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的摩擦學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)ZrO2纖維含量為10%和20%時(shí)，復(fù)合材料的摩擦系數(shù)較低，為0.4；ZrO2纖維含量為30%時(shí)，復(fù)合材料的磨損率最低，為7.88×10－5mm3/（N•m）。（2）研究了不同載荷和滑動(dòng)速度條件下ZrO2纖維為30%的ZrO2纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的摩擦學(xué)性能，結(jié)果顯示，隨著載荷的增大復(fù)合材料的摩擦系數(shù)降低而磨損率升高，當(dāng)載荷為50N時(shí)摩擦系數(shù)最低，為0.35；當(dāng)載荷為5N時(shí)磨損率最低，為7.25×10－5mm3/（N•m）。轉(zhuǎn)速為2000r/min時(shí)，復(fù)合材料的摩擦系數(shù)最低，為0.22；轉(zhuǎn)速為1000r/min時(shí)，磨損率最低，為7.87×10－5mm3/（N•m）。（3）復(fù)合材料中的ZrO2纖維可有效地起到支撐作用，但是高含量、高載荷和高速時(shí)也會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的剝落。ZrO2纖維的增韌與剝落和環(huán)氧樹脂的塑性變形情況決定了ZrO2纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的摩擦學(xué)性能。

作者：令乾 楊洪芳 曲銘海 張會(huì)青 王文康 靳珊珊 單位：德州學(xué)院紡織服裝學(xué)院