（纺织工程专业论文）vgcf增强不饱和树脂复合材料的表面磨损性能研究.pdf

摘要 颗粒冲蚀磨损，是指颗粒冲撞材料表面的过程中，随着颗粒在材料表面发生 相对运动( 撞击、摩擦) 作用下发生的损耗。经常对航空航天设备、高速列车、 风车等表面造成较为严重的损伤。对于聚合物基复合材料的冲蚀磨损性能，国外 的研究者进行了大量的树脂基复合材料耐磨损性能的研究，使用的大多是玻璃纤 维和碳纤维作为增强相，纳米级材料作为增强相制得复合材料的冲蚀磨损性能的 研究还非常少。国内对于聚合物基复合材料耐冲蚀磨损性能的研究总体上看更 少。气相生长纳米碳纤维( v g c f ) 具有突出的高模量和高强度，它作为增强相 制得的聚合物基复合材料的各方面力学性能都比较优越，但是至今还没有文章对 其耐冲蚀磨损性能进行研究，其耐冲蚀磨损机理也一直有待探索。 本文根据以前的相关研究，通过系统的实验分析，优化了纳米材料即气象生 长碳纤维( v g c f ) 增强不饱和树脂基复合材料的制作工艺，使用紫外线臭氧法 对v g c f 进行了表面处理，实现了v g c f 在基体中的良好分布，制作出了力学 性能优良的复合材料。 针对上述材料，本文模拟空气中的灰尘等颗粒悬浮物对高速运动物体的损伤 机理，设计了冲蚀磨损性能试验装置，并对上述复合材料的冲蚀磨损性能进行了 测试与评价，分析了材料冲蚀磨损性能的影响因素，重点对气相生长纳米碳纤维 ( v g c f ) 和纳米炭黑( c b ) 作为增强相，其质量比对树脂基复合材料耐颗粒冲 蚀磨损性能的影响规律进行了研究。研究结果表明：v g c f 作为增强相除具有优 良的力学性能外，还能有效地改善基体材料的耐冲蚀磨损性能。通过扫描电镜的 观察，发现了v g c f 增强复合材料中存在v g c f 的网络结构，v g c f 的本身优 良性能及网络结构是提高复合材料耐冲蚀磨损性能的重要原因。 研究结果可为进一步研究及开发综合性能优良的气象生长纳米碳纤维 ( v g c f ) 和纳米炭黑( c b ) 增强不饱和树脂基复合材料提供理论依据与数据参 考。 关键词：复合材料；气相生长碳纤维；冲蚀磨损；纳米炭黑；紫外线臭氧法 a b s t r a c t p a r t i c l ee r o s i o ni sd e f i n e da st h el o s sw h i c hi sh a p p e n i n gw h i l et h ep a r t i c l e sa r e r e l a t i v e l ym o v i n g ( c o l l i s i o na n df r i c t i o n ) o nt h em a t e r i a ls u r f a c e s u c hp r o b l e mo f t e n h a p p e n si nt h ea e r o s p a c ee q u i p m e n t s ，h i g h - s p e e dt r a i n sa n dw i n d m i l l se t c ，a n do f t e n m a k e sm e i rs u r f a c e ss e r i o u s l yd a m a g e d t h er e s e a r c h e r sa b r o a dh a v ed o n eal o to f w o r k sa b o u tt h ee r o s i o np e r f o r m a n c eo fp o l y m e rm a t r i xc o m p o s i t e s t h e ) ，o f t e nu s e t h eg l a s s f i b e ra n dc a r b o n f i b e ra sar e i n f o r c e m e n tt os t u d yt h ee r o s i o n b u tt h e e r o s i o no ft h ec o m p o s i t ew h i c hi sc o m p o s e db yn a n o - m a t e r i a l sa sr e i n f o r c e m e n ti s v e r yr a r e a n dt h es t u d yo fp o l y m e rm a t r i xc o m p o s i t em a t e r i a l sf o re r o s i o nr e s i s t a n c e i sv e r yl i t t l ei nd o m e s t i cp a p e r s v a p o rg r o w nc a r b o nf i b e r ( v g c f ) h a sap r o m i n e n t h i g hm o d u l u sa n dh i g l ls t r e n g t h a st h er e i n f o r c e m e n to fp o l y m e rm a t r i xc o m p o s i t e ，i t c a ng i v es o m es u p e r i o rm e c h a n i c a lp r o p e r t i e st ot h ep o l y m e rm a t r i xc o m p o s i t e b u t t h e r ei sn oa r t i c l e sa b o u tt h ee r o s i o nr e s i s t a n c es t u d yo fv g c fr e i n f o r c e dp o l y m e r m a t r i xc o m p o s i t e t h er e s i s t a n c em e c h a n i s mo fe r o s i v ew e a rh a st ob ee x p l o r e d i nt h i sp a p e r , b a s i n go np r e v i o u sr e l a t e dr e s e a r c h ，t h r o u g he x p e r i m e n t a la n a l y s i s ， t h ep r o d u c t i o np r o c e s so fv a p o rg r o w nc a r b o nf i b e r ( v g c f ) r e i n f o r c e du n s a t u r a t e d r e s i n b a s e dc o m p o s i t em a t e r i a lh a sb e e no p t i m i z e d v g c fi nt h em a t r i xw e r ee v e n l y d i s p e r s e db yu s i n gt h eu v o z o n et r e a t m e n to nv g c fs u r f a c e t h e nt h ec o m p o s i t e s w i t he x c e l l e n tm e c h a n i c a lp r o p e r t i e sw e r ep r o d u c e d t ot h e s em a t e r i a l s ，i nt h i sp a p e r , e r o s i o nw e a rt e s td e v i c eh a db e e nd e s i g n e dt o s i m u l a t et h ed a m a g em e c h a n i s ma b o u td u s tf l y i n gi nt h ea i ra g a i n s th i g h - s p e e d m o v i n go b j e c t s a n dt h ec o m p o s i t ee r o s i o np e r f o r m a n c ew e r e t e s t e da n de v a l u a t e d f o c u s e do nt h el a wo ft h er e s i s t a n c et op a r t i c l ee r o s i o no fc o m p o s i t em a t e r i a lw h e n t h er a t i oo fv g c fo rc bc h a n g i n gi nt h em a t r i x t h er e s u l t ss h o w e dt h a tv g c fa s r e i n f o r c e m e n td i d n to n l yh a de x c e l l e n tm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ，b u ta l s oe f f e c t i v e l y i m p r o v e dt h er e s i s t a n c e o ft h em a t r i xm a t e r i a lp r o p e r t i e so ne r o s i o nw e a r b y s c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p e ，f o u n dv g c fr e i n f o r c e dc o m p o s i t e sh a dav g c f n e t w o r ks t r u c t u r e ，b o t he x c e l l e n tm o d u l u so fv g c fa n dv g c fn e t w o r ks t r u c t u r ea r e i m p o r t a n tr e a s o n sf o rc o m p o s i t em a t e r i a lt oi m p r o v et h e e r o s i o nw e a r - r e s i s t a n t p e r f o r m a n c e t h er e s u l t sc a np r o v i d eat h e o r e t i c a lb a s i sa n dd a t ar e f e r e n c ef o rf u r t h e rr e s e a r c h a n dd e v e l o p m e n to fc o m p r e h e n s i v ep e r f o r m a n c ee x c e l l e n tv a p o rg r o w nc a r b o n f i b e r ( v g c f ) a n d c a r b o nb l a c k ( c b ) r e i n f o r c e dt h eu n s a t u r a t e dr e s i n b a s e d c o m p o s i t em a t e r i a l s k e yw o r d s ：c o m p o s i t e ；v a p o rg r o w nc a r b o nf i b e r ；e r o s i o n ；c a r b o nb l a c k ； u vo z o n et r e a t m e n t 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得云整王些太堂或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：王闺宇 签字日期：1 9 f7 年歹月7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解云洼王些盍堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权云洼王些太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学 校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 签字日期：07 王国幸 。v 年3 勇气日 新签名：们h 一飙d ( 1 吣乒 日 学位论文的主要创新点 一、本课题针对复合材料的冲蚀磨损性能进行了研究，初次使用 了两种纳米材料即气相生长纳米碳纤维( v g c f ) 和纳米炭黑( c b ) 作为增强相制作不饱和树脂基复合材料，并对这两种材料的表面耐冲 蚀磨损性能进行了对比分析与研究。 二、针对v g c f 之间相互吸附、相互嵌套的特性，优化了v g c f 表面处理工艺。采用紫外线臭氧法进行表面处理，并系统地对此种表 面处理效果进行了评定，确定了最佳的表面处理参数。同时分析、确 定了其他优化工艺，实现了v g c f 在基体中的良好分散。 三、通过对扫描电镜，对两种纳米材料的耐冲蚀磨损机理进行了 分析，验证了冲蚀磨损性能的影响规律，并发现了在v g c f 增强不 饱和树脂基复合材料中存在v g c f 网络结构，此网状结构能够有效 阻止磨损裂痕的蔓延。建立了网络结构模拟图，分析了网络结构在阻 碍磨损过程中裂痕蔓延的作用，找到了v g c f 作为增强相提高材料 耐冲蚀磨损性能的原因。 第一章绪论 1 1 概述 第一章绪论 复合材料一般是指由两种或两种以上不同化学性质或组织结构的相，以微观 或宏观的形式复合而成的材料。通过改变基体相、增强相或者制作工艺就可以 实现材料某些特殊的性能。树脂基复合材料由于其轻量化、多功能化以及低成本 等优点，近几十年来被广泛应用于工业生产和航空航天领域。同时树脂基复合材 料各方面力学性能研究也受到广泛的关注。 冲蚀磨损是指固体或者液体按一定的速度或角度对材料的表面进行冲击造 成一种损耗现象或过程乜3 1 。按照磨料来分主要有三种，分别是颗粒、液体和气 体。携带介质主要为气体和液体，所以可具体分为四种磨损方式，分别为：颗粒 型冲蚀、泥浆冲蚀、液滴冲蚀和气蚀性冲蚀。本文采用的磨损方式为颗粒型冲蚀， 即颗粒冲蚀磨损，是指颗粒冲撞材料表面的过程中，随着颗粒在材料表面发生相 对运动( 撞击、摩擦) 作用下发生的损耗。其危害广泛地出现在生活生产中，主 要包括： 1 、在冶金煤矿等工业部门进行生产的时候，含有大量固体颗粒的气体冲击 或冲刷金属材料表面形成冲蚀磨损造成工业生产中较多机器设备、零部件损坏报 废。例如：使用风机用于含有固体颗粒的气体输送，在气流携带下，固体颗粒对 风机叶片、衬板等部件造成严重的冲蚀磨损，降低了部件使用寿命h 1 。 2 、航天航空方面，例如：飞机的螺旋桨，砂尘颗粒能将飞机的铝质蒙皮打 成麻点、凹坑，破坏飞机的气动外形，增大飞行阻力嘲。另外沙漠中的雷达罩也通 常需要定期在雷达罩的表面涂层来防止风沙对于雷达罩的颗粒冲蚀。 3 、风力发电机上，风力发电机一般都建设在风比较大的高原上，一般情况 下这样的地区的风沙都比较大，所以发电机风车的叶片经常受到风沙造成的颗粒 冲蚀磨损。 纳米材料一般是指在至少一个方向上长度在1 1 0 0 n m 之间的材料。其中纳 米碳管( c n t ，c a r b o nn a n o t u b e ) 具有较大的长径比，较高的强度和杨氏模量， 较好的导电、导热及热稳定性以及极高的比表面积等优点，被广泛应用于各种复 合材料的开发上。气象生长纳米碳纤维( v g c f ) 具有和多壁纳米碳管非常相近 天津1 ：业大学硕士学位论文 的结构特征且生产成本更加低廉，工艺相对简单，因而受到了人们极大的关注。 根据已有的文章，其树脂基复合材料的各方面力学性能比较纯净的树脂基体有一 定的提高。 本文为了解决空气中颗粒等悬浮物对材料的冲蚀磨损问题，制作了不同比例 的纳米级c b ( 炭黑) 增强的树脂基复合材料和v g c f 增强树脂基复合材料，并 使用实验室自行开发颗粒型冲蚀磨损试验仪器，对复合材料的磨损性能进行了试 验对比，并分析两种复合材料的耐冲蚀磨损机理进行了分析。 1 2 颗粒冲蚀磨损性能的研究情况 1 2 1 颗粒冲蚀磨损的试验方法 木村等学者总结冲蚀磨损的方法有四种，如表1 1 ，第一种是名为“喷枪法” 的试验方法，即采用喷枪直接将颗粒喷向试验片的试验装置来检验材料的耐冲击 磨蚀性能晦1 。这种方法的特点是喷射速度快，喷射速度的选择范围大。第二种是 名为“回转圆盘法”的试验方法，该方法使用离心加速装置对邻近圆盘旋转半径 的试样板进行冲蚀实验，其特点是可以同时对多块试验片进行试验，但是不能做 高速度的试验。第三种是“流体输送法是指让颗粒和流体一起在管道中流动来 观察管道的磨损程度的试验方法，这种方法的特点是和实际联系紧密，但是试验 需要的时间较长。最后一种是“粉体中回转法，是用叶片在颗粒粉尘环境下进 行回转来观察磨耗的方法口1 。以上这些试验方法，都是根据不同领域的冲蚀磨损 情况发展而来的。而本试验采用的试验方法是“喷枪法”。 表1 - 1 冲蚀磨损实验的方式1 名称 图样研究者 喷枪法 。忿 a r t m d e l 等 b u t k e w i c z 等 k l e i s 等 回转圆盘法 ) 毯 v o r w e r c k 等 流体输送法 乏丢冀 p e p p a sm a s o n 等 l( bl u e t z 等 粉体中回转法 | 鹈蠢 宫江等 2 第一章绪论 1 2 2 影响冲蚀磨损性能的因素 已有研究表明，影响冲蚀磨损的因素主要包括：材料本身的性能，磨料的性 能，试验条件的选择，实验环境四个方面。 其中具体因素影响比较大的主要有： l 、基体材料和增强相的选择；2 、增强相的比例；3 、磨料颗粒的形状和尺 寸；4 、冲击速度、角度以及时间；5 、环境的温湿度。 l 、基体材料和增强相的选择 不同的基体材料的冲蚀磨损性能是不一样的。一般认为金属材料的耐冲蚀磨 损性能优于树脂基复合材料睛1 。对于树脂基材料，纯净的聚醚酮( p e k ) 树脂比纯 净的聚醚醚酮( p e e k ) 树脂或者聚醚酮酮( p e k k ) 树脂基体材料基体的耐冲蚀磨损 性好嘲。而且大多数含有增强相的树脂基复合材料的耐冲蚀磨损性能都是比较纯 净基体材料差的睁n 1 。 a p h a r s h a 制作了以聚醚醚酮( p e e k ) 树脂、聚醚酮( p e k ) 树脂聚以及醚酮酮 ( p e k k ) 树脂为基体材料，并在统一的试验器材以及条件下进行冲蚀磨损试验， 所得到的结果如图1 - 1 阳1 所示( 其中a 纯净的p e e k 材料、b 2 0 g f 增强p e e k 材料、c 3 0 g f 增强p e e k 材料、d 3 0 c f 增强p e e k 材料、 e 1 0 c f 增强p e e k 材料、f 纯净的p e k 材料、g 1 0 g f 增强p e k 材料、h 2 0 g f 增强p e k 材料、1 3 0 g f 增强p e k 材料、j 纯净的p e k k 材料、k 3 0 c f 增强p e k k 材料、l 1 0 c f 增强p e k k 材料) 。 该图显示的是入射角度为3 0 。时，随着试样材料改变以及喷射速度变化而 变化的磨耗速率的直方图，说明随着磨耗速率增加，单位时间的磨耗量也越大， 即材料的耐冲蚀磨损性能变差。如图所示：纯净的f 的磨损速率要比纯净的a 和j 低，而同样的以p e e k 为基体材料并且使用同样比例不同增强相的c 的磨损 速率比d 的略低，同为2 0 增强的树脂基复合材料b 和h 的磨损速率也不同。 3 天津工业大学硕士学位论文 图1 - 1 不同材料的磨损状况 由此可知，材料的耐冲蚀磨损性能和基体材料和增强相的选择是紧密联系 的。 2 、增强相在基体材料中的比例 多数的文章显示随着增强相的比例的增加树脂基复合材料的耐冲蚀磨损性 能随之降低”。图1 - 1 也反映出这种趋势，如2 0 g f 增强p e e k 材料( b ) 的 磨损速率低于3 0 g f 增强p e e k 材料( c ) ，同样的1 0 c f 增强p e e k 材料( e ) 的磨损速率低于3 0 g f 增强p e e k 材f o t ( d ) ，1 0 g f 增强p e k 材料( g ) 、2 0 g f 增强p e k 材料( h ) 和3 0 g f 增强p e k 材料( i ) 的磨损速率也是逐渐升高的， 可见其耐冲蚀磨损性能是随着增强相比例的升高而降低的。 k e nt s t l d a 等研究者的研究得到了相同的结论，同时还发现，随着g f r p ( g l a s sf i b r er e i n f o r c e dp l a s t i c ) 中玻璃纤维添加量的增加，冲蚀磨损从塑性磨 损逐渐变化为脆性磨损“4 。而且对于玻璃纤维单向分布的g f r p ，当纤维的混合 比倒超过5 8 的时候，材料的体积磨损速率是基本不变的，如图1 - 2 所示。说明 这时的复合材料表面增强相的面积在一定范围内基本趋于稳定。 拼脏 蓉一s一-9$3_葛圣；毒 第一章绪论 图1 2 单方向玻璃纤维增强聚合物基材料的冲蚀磨损 3 、磨料颗粒的形状和尺寸 新景等学者使用球形颗粒和不定型颗粒作为磨料对碳纤维增强树脂复合材 料进行了冲击磨损试验，并讨论了磨损速率r 和冲击入射角a 的关系n 3 一钔。发 现在同一冲击入射角度下，选择球形颗粒作为磨料的磨损速率比选择不定型颗粒 作为磨料的磨损速率大约降低1 4 。还发现选择球形颗粒作为磨料的时候最大磨 损速率r 出现在a - - - 7 5 0 附近，而选择不定型颗粒作为磨料时最大磨损速率r 出 现在a = 3 0 - - 4 5 0 附近。 4 、冲击速度 宫崎等学者对尼龙6 6 和a b s 树脂制作的f r p 材料，对材料的磨损速率和 颗粒喷射的速度之间的关系进行了探讨n 司。选择入射角a = 3 0 0 ，冲击速度在 1 8 - 4 7 m s 的范围内变化的情况下进行了试验。磨损速率r 和喷射速度呈n 次方的对数关系。关系公式如下ro cv p n ，对于其中指数n 来说，尼龙6 6 的取 值在2 8 0 - - - - 2 9 5 范围内，a b s 的取值在2 3 7 2 5 3 范围内，具体如图l 一3 。 5 天津- 1 ：业大学硕十学位论文 善 鼍 窿 董 g 委 u p a r t i c l ev e l o c it y r n s ，n n t m 讯l t 口l 午 e e h 口匕 皇 2 q o u p b r t i c l e v e l o c i t y v u ，m l s 辂 b s f i 图1 - 3 冲击速度和冲蚀磨损的关系 k e nt s u d a 等学者的研究中也得到单方向玻璃纤维增强不饱和树脂的喷射速 度在2 4 5m s 的时候，当冲击方向和纤维的方向夹角为o o 时ro c 圪 郧n2 。 另外a p h a r s h a 制作了p e e k 树脂、p e k 树脂以及p e k k 树脂为基体的各 种材料如图1 1 ，分别采用3 9 m s 、6 8m s 、9 0m s 的喷射速度进行试验；并把实 验结果按照公式e = 缈拟合了数据k 和n 其值如表1 2 聃3 。 表1 2 实验拟合的公式中的各数值9 1 6 第一章绪论 5 、冲击角度 许多研究都探讨了冲击角度对于磨损速率的影响睁h 1 ，一般冲击角度指的是 磨损面和磨料运动轨迹的瞬时夹角。如果材料的最大冲蚀磨损发生在1 5 3 0 0 ，称 这种磨损为塑性行为，也可以说这种材料为塑性材料，如图1 4 n 5 1 。如果最大的 侵蚀发生在9 0o ，那么行为属于脆性，材料就属于脆性材料。对增强复合材料进 行冲蚀磨损时出现的中间行为称为半延性，其最大的侵蚀发生在4 5 6 0 0 之间。 i m l 始c ta n g l e 图1 4 脆性材料和塑性材料的冲蚀磨损阳1 6 、冲击时间 冲击时间经常被作为磨损的积累量或者某个实验条件的变量。图1 5 为一 个典型的冲蚀磨损和时间的关系。如图所示，在脆性磨损的情况下质量损失的积 累增加和时间成线性关系，而发生塑性磨损时，在磨损初期，磨料颗粒会镶嵌到 试验片的表面而导致质量增加，这段质量的增加所用的时间被称为磨损的孕育 期，经过这段孕育期后，塑性磨损会以恒定的速度继续进行。 ， _ 们 们 卫 一 瓦 厂： l i it筝t：!n u b c n c u b a t i o n i l l o p r l o d 图1 5 冲击时间和孕育期 7 天津：l ：业人学硕十学位论文 7 、环境的温湿度 根据试验经验判断，坏境的温湿度对于冲蚀磨损的影响主要在于冲蚀磨损过 程中温湿度的变化造成磨料密度的变化。在环境温度升高的时候，磨料颗粒容易 发生膨胀而导致送料堵塞，这样就使磨料流动的速度降低而导致单位时问内喷枪 射出颗粒密度的降低。相对湿度对于磨料的影响比较复杂，根据颗粒亲水性的不 同可以造成不同的喷射密度不均。 1 、2 3 冲蚀磨损性能的表征方法 根据冲蚀磨损过程中质量以及体积的变化，常用的操作上比较简单表征方法 有三种： 1 磨损量( w e i g h tl o s s ) 7 1 颗粒冲蚀磨损过程量的质量损失通常定义为w l ，其表达式为： = 一w a ( 1 1 ) 其中：是试验板在冲蚀磨损试验前的质量，是试验板经过冲蚀磨损 后的质量 2 、磨损速率( e r o s i o nr a t e ) n 3 1 刚 根据日本学者的研究n6 1 ，玻璃纤维增强尼龙6 6 复合材料，入射角度c t = 9 0 0 ， 冲射速度为v p = 3 5 m s 磨损速率曲线如图1 - 6 所示。 挈 蔫 坊 篓 羔 2 霎 图1 - 6 典型冲蚀磨损速率曲线 由图可知，经过孕育期后，磨损的质量积累损失量和磨料颗粒的积累消耗量 基本成线性关系，这时定义磨损速率试验后靶材试验片的磨损量( w l ) 和冲蚀 磨损用的磨料颗粒积累质量( w s ) 的比值r 单位通常为( g g ) ，即： 尺：堕( 1 2 ) 服 第一章绪论 r 表示了1 9 磨料颗粒造成靶材试验片的质量损失速率，单位( 曲。r 再除 以靶材试验片的密度，则可以得到1 9 磨料颗粒造成试验片的体积损失速率r v ( c m 3 g ) 。 3 、磨损体积n 3 1 4 3 磨料颗粒在靶材的表面上造成的体积损失的原因是塑性变形。而冲蚀磨损的 塑性形变属高应变变形。任何物体在外力作用下都会发生形变，当形变不超过某 一限度时，撤走外力之后，形变能随之消失，这种形变称为弹性形变。如果外力 较大，当它的作用停止时，所引起的形变并不完全消失，而有剩余形变，称为塑 性形变。所以将塑性形变假设为弹性形变的延伸对体积损失进行了计算。磨料颗 粒以速度v p 冲蚀靶材所造成的变化体积，如图1 7 。这部分体积中的大部 分 b e f o r eim p a c ta f t e rib p a c t 图l - 7 球装磨料颗粒的斜碰撞模型 体积变化随着磨料颗粒的离开而回复，对于靶材造成的伤害只是一小部分的 塑性形变的残留。那么可以假设造成这部分的形变残留的能量损失比例为： 2 2 1 旦二! 丛 2 v p ( 1 - 3 ) 因此，由入射速度速度v 尸，出射速度v p r 对靶材进行冲蚀磨损所造成的靶材塑 性形变的体积变化应该可以表示为： ，22 、 矿芘i 碎l lv p ， ( 1 4 ) 当y 尸，v 艘的时候，冲蚀过程为全弹性冲击，这是体积损失为0 。当v p i v p r ， - 尸，2 一v 段2 ) v 尸，2 = 口 1 则认为材料是塑性的。通过 计算可知纯净的不饱和树脂的e c v 值为1 4 8 1 而比重为2 5 的c b 增强不饱和树 脂的& v 值为1 6 5 8 ，显然这两种材料都属于塑性材料，c b 作为增强相使材料的 塑性增大。 5 4 2c b 增强不饱和树脂之间的比较 图5 5 显示了2 5 c b 增强不饱和树脂和5 c b 增强不饱和树脂之间不同角 度下磨损速率平均值的2 次多项式最小二分法拟合图形的比较。 图5 52 5 c b 增强不饱和树脂和5 c b 增强不饱和树脂冲蚀速率的比较 由图5 5 可知2 5 c b 增强不饱和树脂和5 c b 增强不饱和树脂冲蚀速率基 本上相同，比重为2 5 的c b 增强不饱和树脂的y 值为1 6 5 8 而比重为5 的 c b 增强不饱和树脂的e c 矿值为1 6 6 7 ，基本上没有什么变化，在高角度上也依然 具有一定的保护效果。 1 o 一罢3 q 苦h i：【o州。卣 第五章冲蚀磨损实验及结果分析 5 4 31 2 5 v g c f 增强不饱和树脂和纯不饱和树脂之间的比较 图5 - 6 显示了1 2 5 v g c f 增强不饱和树脂和纯净的不饱和树脂之间不同角 度下磨损速率平均值的2 次多项式最d - 分法拟合图形的比较。 如图所示：使用v g c f 增强过的不饱和树脂的冲蚀速率曲线整体处于纯净 的不饱和树脂的冲蚀速率的下方，说明v g c f 作为增强相有效地实现了不饱和 树脂材料的耐冲蚀磨损性能。 一方面v g c f 作为一种模量非常高的纳米材料，其刚度远大于基体，而且体 积远小于磨料，所以材料表面的v g c f 能较好地抵抗磨粒的冲击和切削作用， 并产生支撑作用。在冲蚀磨损过程中，复合材料基体受到磨粒尖角的切削和犁沟 作用，发生塑性变形，逐渐疲劳剥落、下凹，这时突起的v g c f 颗粒承受并且支 撑磨粒的大量的冲击和切削。 另一方面计算发现，比重1 2 5 v g c f 增强不饱和树脂的g c v 值( 1 6 1 3 ) 比 纯净的不饱和树脂的e c 矿值( 1 4 8 1 ) 高，说明v g c f 作为增强相使材料塑性增 大，这应该会导致材料在底角度上的耐冲蚀磨损性能降低，但是v g c f 的高刚 度，在和磨料的碰撞过程中起到了保护基体的作用，保证了材料的耐冲蚀磨损性 能。 一 图5 - 61 2 5 v g c f 增强不饱和树脂和纯净的不饱和树脂磨损速率的比较 4 9 一一。甚-口ois2固 天津t 业人学硕：匕学位论文 5 4 4 增强不饱和树脂之间的比较 图5 7 显示了1 2 5 v g c f 增强不饱和树脂和2 5 v g c f 增强不饱和树脂以 及纯净的不饱和树脂在不同角度下磨损速率平均值的2 次多项式最小二分法拟 合图形的比较。 图中显示当v g c f 的比重到达2 5 的时候，材料的耐冲蚀磨损性能在各个 角度上都有明显地提高，在添加量从1 2 5 到2 5 的过程中，随着v g c f 在材 料中的密度增加材料的耐冲蚀磨损性能增加，说明v g c f 可以有效地承受磨料 颗粒的冲击，从而保护基体，降低冲蚀磨损的速率。2 5 v g c f 增强不饱和树脂 的v 值为1 6 9 8 ，相对于1 2 5 v g c f 增强不饱和树脂的民v 值有微量的升高。 5 4 5v g c f 增强不饱和树脂之间的比较 图5 8 显示了比重分别为1 2 5 、2 5 和5 的v g c f 增强不饱和树脂材料 的磨损速率平均值的2 次多项式最小二分法拟合图形的比较。 在添加量从1 2 5 到2 5 的过程中，随着v g c f 在材料中的密度增加材料 的耐冲蚀磨损性能增加，但是添加量从2 5 增加到5 之后，材料在各个角度上 的耐冲蚀磨损性能并没有明显的提高，相反，在接近高角度的冲蚀速率有增大的 趋势。通过计算，材料的既v 值为1 5 5 1 ，出现了相对于添加量在1 2 5 或 2 5 v g c f 增强不饱和树脂e c v 值的明显下降。也就是说添加量从2 5 到5 的 过程中，材料向脆性材料发展。分析其原因很可能是现有复合材料板的制作工艺 已经不满足比例在5 的v g c f 均匀有效的分散。材料内部结构松散，导致了材 料整体耐冲蚀磨损性能下降，同时v g c f 还可以承受大部分颗粒的冲击，所以 最终得到的是一个低角度的耐磨效果增强而在高角度附近削弱的结果。 5 0 第五章冲蚀磨损实验及结果分析 2 耍1 5 、 、_ q 0 窭1 口 o _ 们 墨0 5 a n g l e ( 。) 图5 - 71 2 5 v g c f 增强不饱和树脂2 5 v g c f 增强不饱和树脂 以及纯净的不饱和树脂的冲蚀速率比较 _ 1 2 5 v g c fr e i n f o r c e du p r 2 5 v g c fr e i n f o r c e du p r 5 v g c fr e i n f o r c e du p r o153 04 56 07 59 0 a n g l e ( 。) 图5 81 2 5 v g c f 增强不饱和树脂2 5 v g c f 增强不饱和树脂 以及5 v g c f 增强不饱和树脂的冲蚀速率比较 5 l 产龇30苗-口ois2闯 天津工业大学硕士学位论文 5 5 小结 本章对实验的数据进行了函数曲线的拟合，通过拟合曲线的对比对实验结果 进行了简单的总结和分析，其中添加比重在1 2 5 和2 5 的时候材料的耐冲蚀 磨损性能明显提高，表明选择v g c f 作为增强相来提高不饱和树脂的耐冲蚀磨 损性能是成功的。 引入磨蚀分类值( e r o s i o nc l a s s i f i c a t i o nv a l u e ) ，并结合磨蚀分类值对结果进 行了机理分析，实验结果表明不饱和树脂中混入纳米材料可以起到增韧的作用， 但是否未对材料有耐冲蚀磨损性能有增强作用，有待进步研究。 5 2 第六章s e m 照片和冲蚀磨损机理 第六章复合材料耐冲蚀磨损的机理 虽然前文中的实验结果可以用于工艺优化，但对复合材料的耐冲蚀磨损机理 的分析还欠缺有力的说明。另外，对复合材料的耐冲蚀磨损性能的评价，需要借 助直观图像进行表征。因此，本章借助扫描电镜，得到复合材料冲蚀磨损后的表 面形貌图，来验证冲蚀磨损机理。 6 1c b 增强不饱和树脂材料的形貌观察 图6 1 为c b 增强不饱和树脂材料在冲蚀角度为4 5 。进行试验后的扫面电镜 图( s e m ) ，从图中可以清楚地观察到： 颗粒在材料上造成的条状磨痕说明了材料的表面磨损主要形式为微切削； 材料表面上有一定量的未完全分散呈聚集态的c b 颗粒团，另外有c b 颗粒 团被挖出后留下的圆坑，c b 颗粒团和圆坑的存在导致了材料表面的不平整。 根据以上的信息分析，实验中c b 增强不饱和树脂的耐冲蚀磨损性能降低的 原因分析如下： 首先增强相的颗粒过小，且分布不均质，虽然对基体有一定的支撑作用，但效 果不是太明显，从表面的条状磨痕来看c b 的硬度虽然比较不饱和树脂基体大一 些但是并不足以有效地阻止微切削，而形成了大量的质量损失。 其次颗粒被整体冲击脱落而形成坑穴，导致基体大面积暴露在介质中遭受 严重冲刷腐蚀，从而增大复合材料的磨耗。 由c b 颗粒团和圆坑形成的不平整的表面增大了材料在冲蚀磨损过程中的承 受面，增大了复合材料的磨耗。 5 3 无津i 业大学硕士学位论文 豁黼 添蠢麓 鍪 图6 _ lc b 增强不饱和树脂材料在4 5 。进行试验后的扫面电镜图( s e m 62v g o f 增强不饱和树脂材料的形貌观察 图砚为v g c f 增强不饱和树脂材料在冲蚀角为4 5 。进行试验后的扫面电 镜图( s e m ) ，从囝中可以清楚熊观察到； 材料的表面除了条状磨痕外还有很多裂痕，说明材料的表面磨损形式既有微 切削也有疲劳剥落。 材料的表面密布在各个方向的v g - c f ，说明v g c f 相对于磨料的硬度要大得 多，在冲蚀磨损的过程中v g c f 本身经过磨料的冲击而不发生损坏。 材料表面的裂痕不连续，且材料在受到冲蚀磨损后大面积整体地相互连接在 一起。说明v g c f 和不饱和树脂基体的结合力较为理想，v g c f 在不饱和树脂基 体中起到了连接作用，在集体内部形成网状，使得材料之间相互的联系增强，不 易在冲蚀磨损的过程中脱落，从而缓解了磨损。 第六帝s e m 照片和冲蚀磨损机理 圈6 - 2 v o c f 增强不饱和树脂材料在4 5 。进行试验后的扫面电镜图 s e m ) 根据对v g c f 增强不饱和树脂材料的扫面电镜图的观察和分析，为了更加 清晰地说明v g c f 增强不饱和树脂的耐冲蚀磨损机理，建立了冲蚀磨损的示意 模型图( 图6 3 和图) 来对其耐冲蚀磨损机理进行进一步说明。图6 3 是表 面冲蚀磨损时颗粒和纯净的不饱和树脂材料表面的碰撞示意图。 辫 蒯萨蝴交 图6 3 冲蚀磨损示意圈 天津i 业太学硬学位论文 如图所示，当磨料颗粒撞击接触实验板的时候，首先造成一定范围的塑 性形变，这时颗粒对材料施加了一个垂直向下的压力，并对接触面施加了垂直的 张力，在这两个力的作用下材料内部紧贴磨料的部分开始出现两种裂纹，一种称 为纵向裂纹，可以把它看成是塑性形变的延伸。另一种是横向裂纹，横向裂纹直 接导致了材料表面质量的损失。横向和纵向的裂痕是导致冲蚀磨损的主因之。 v g c f 增强不饱和树脂的磨料和表面的接触过程如图6 _ 4 所示： 囊椭、 囵瑾西 幽6 4 v g c f 增强不饱和树脂的磨料和表面的接触过程 在v g c f 增强不饱和树脂的磨料和表面的接触的过程中，首先，造成一定 范围的塑性形变，这时颗粒对材料施加了一个垂直向下的压力，对接触面垂直的 张力在这两个力的作用下材料内部紧贴磨料的部分开始出现两种裂纹但是在 裂痕延长线上的v g c f 的存在阻碍了这两种裂纹的延伸，或改变了裂纹的延伸 方向，在材料中起到了连接作用。而由于v g c f 在基体中形成了近似于网状的 结构，这种阻碍裂纹延伸的作用也较大幅度地增强，从而降低了质量损失。网状 结构也解释了当材料中v g c f 的比重从1 2 5 到2 5 的时候，材料的耐冲蚀者 损性能可以较大幅度增强的原因。 其次，一部分磨料直接与材料表面的v g c f 进行接触，这时候的v g c f 对 不饱和树腊基体起到了保护的作用，磨料在材料表面形成损坏之前就离开了材料 表面，加长了材料损伤的孕育期。 第六章s e m 照片和冲蚀磨损机理 最后，在磨损的过程中，磨料不断的和v g c f 接触的时候，由于v g c f 的 直径远远小于磨料所以v g c f 对磨料可以有效地支撑，使得树脂基体能够得到 保护。 6 3 小结 本章采用扫描电子显微镜( s e m ) ， 料在4 56 试验后的表面形貌进行观察， 不饱和树脂基体的耐冲蚀磨损的机理。 分别对c b 和v g c f 增强不饱和树脂材 系统分析了c b 和v g c f 作为增强相对 对于c b 增强不饱和树脂材料，c b 没有起到对基体的保护作用或者起到的 保护作用很小，同时破坏了纯净基体材料的完整紧凑的结构，影响了整体的力学 性能，也说明c b 增强不饱和树脂材料的制作工艺还存在着一些问题。 对于经过优化工艺的v g c f 增强不饱和树脂材料，在材料表面的v g c f ，由 于其高强度和小体积有效地配合作用，有效地保护基体不受到磨料的切削。同时 v g c f 通过表面处理有效地增强了与基体不饱和树脂的结合性，在基体的内部起 到了粘接作用，同时处于裂痕延长线上的v g c f 或v g c f 网络阻碍了纵向裂纹 和横向裂痕的延伸，减慢了冲蚀磨损过程中质量损失的速度。所以v g c f 作为 增强相，成功地增强了基体的耐冲蚀磨损性能。 5 7 第七章结论 第七章结论 本文根据对国内外树脂基复合材料耐颗粒冲蚀磨损性能的研究的分析和总 结，初次提出使用纳米级气相生长碳纤维( v g c f ) 作为增强相制备复合材料， 优化其加工成型工艺并研究其耐冲蚀磨损性能。通过上述研究，得到了以下几点 结论： l 、针对v g c f 在聚合物基体中与基体难结合、自身难分散的缺陷，优化了复合 材料板的制作工艺，通过液滴法和毛管上升法系统地研究了紫外线臭氧法对 v g c f 的表面处理，并讨论和选择了最佳工艺参数。在搅拌工序中增大剪切力度， 加长搅拌时间。最终制备出较为理想的v g c f 增强不饱和树脂复合材料板。 2 、实验研究表明v g c f 增强不饱和树脂复合材料的耐冲蚀磨损性能比纯净的不 饱和树脂板在各个角度上都明显的提高。通过对实验数据进行函数曲线的拟合， 发现v g c f 增强不饱和树脂在v g c f 添加比重为1 2 5 和2 5 时材料的耐冲蚀 磨损性能明显提高；由磨蚀分类值分析与判断，v g c f 增强不饱和树脂板属塑性 材料，和其他的塑性材料一样，其最大冲蚀磨损角度在3 0 。左右；不饱和树脂 中混入纳米材料可以起到增韧的作用。 3 、通过扫描电镜分析发现，c b 增强不饱和树脂的耐冲蚀磨损性能比纯净不饱和 树脂的耐冲蚀磨损性能有所降低，其主要原因是c b 没有起到对基体的保护作用 或者保护作用很小，同时破坏了纯净基体材料的完整紧凑的结构，影响了整体的 力学性能。 4 、通过扫描电镜和实验