硅灰石填充雙馬來(lái)酰亞胺／鋁滑動(dòng)副磨損性能

    摘要：在盤(pán)銷(xiāo)摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上研究了不同用量、粒徑的硅灰石填充的雙馬來(lái)酰亞胺復(fù)合

材料與硬鋁的滑動(dòng)摩擦磨損性能．借助于掃描電鏡分析，探討了硅灰石調(diào)節(jié)雙馬來(lái)酰亞胺摩擦

學(xué)性能的作用機(jī)理．結(jié)果表明：隨硅灰石的用量增加、粒徑減小，雙馬來(lái)酰亞胺和鋁環(huán)的耐磨性

提高，滑動(dòng)摩擦系數(shù)減?。还杌沂岣呋瑒?dòng)副的耐磨性是因?yàn)楣杌沂龠M(jìn)了雙馬來(lái)酰亞胺在鋁

環(huán)表面形成牢固的轉(zhuǎn)移膜。

 引  言

    無(wú)機(jī)填料填充改性聚合物基復(fù)合材料的摩擦磨損性能，一直是復(fù)合材料摩擦學(xué)研究的熱點(diǎn)，然而，研究較多的是熱塑性聚合物，對(duì)熱固性聚合物研究得較少．對(duì)填料影響聚合物摩擦磨損的機(jī)理也提出雙馬來(lái)酰亞胺樹(shù)脂(簡(jiǎn)稱BMI)是一種新型熱固性樹(shù)脂，它不僅具有優(yōu)良的耐高溫、耐潮濕性能，而且可以采用環(huán)氧樹(shù)脂相似的成型工藝制造，具有價(jià)格低、彈性模量較高、硬度合適、粘結(jié)性能好等優(yōu)點(diǎn)，它首先在航天航空工業(yè)得到應(yīng)用，近年來(lái)作為耐高溫工程塑料在民生工業(yè)的應(yīng)用也不斷擴(kuò)大，因其耐熱性優(yōu)于酚醛樹(shù)脂，可望成為一類(lèi)用于有機(jī)摩擦材料的粘合劑．然而，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：BMI干摩擦系數(shù)較高且與對(duì)偶材料發(fā)生較嚴(yán)重的粘著磨損，為此，選擇了硅灰石粉作為摩擦調(diào)節(jié)劑．硅灰石是tr礦物填料，價(jià)格低、來(lái)源廣泛，其顆粒晶體呈針狀結(jié)構(gòu)，兼有短纖維的增強(qiáng)作用，將其加入到一些聚合物中，不僅可以提高聚合物的耐磨性．而且可以改善它們的摩擦性能，但加入到BMI中的摩擦學(xué)性能如何還尚未見(jiàn)報(bào)道。

    本文通過(guò)硅灰石的用量和粒徑變化對(duì)BMI與硬鋁滑動(dòng)摩擦磨損性能影響的研究，探討了硅灰石調(diào)節(jié)BMI摩擦學(xué)特性的可行性和作用機(jī)理。

2  試驗(yàn)部分

2.1  試樣制備

    材料：硅灰石粉，粒徑為12—15μm,8—10μm和1—5μrn三種，分別簡(jiǎn)稱為l#，2#和3#.主要成分是Si02和Ca02奠氏硬度為4.5，由哈爾濱理工大學(xué)材料學(xué)院提供；雙馬來(lái)酰亞胺HF - 9401(簡(jiǎn)禰BMI)，由哈爾濱工業(yè)大學(xué)化學(xué)系研制，洛氏硬度HRM為122。

    制樣：將硅灰石粉用丙酮和酒精混合液清洗、烘干，制成硅灰石質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為30%，50%和70%

的粉料，然后壓制成外徑32 mm，內(nèi)徑22 mm，厚度7mm的環(huán)形BMI二元體系試樣．將上、下兩端面分別用800#(粒徑約23.5 μm)水砂紙打磨，用乙醇反復(fù)沖洗，烘干制成摩擦試樣。

22試驗(yàn)方法

    滑動(dòng)摩擦試驗(yàn)在MPX - 200盤(pán)銷(xiāo)摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上完成，采用環(huán)一環(huán)配副，對(duì)磨試環(huán)為硬鋁合金LY12，其尺寸為外徑34 mm，內(nèi)徑20 mm，厚度7 mm,兩端面用800#水砂紙打磨，洗凈烘干，法向壓力為60 N，主軸轉(zhuǎn)速為370 r/min，摩擦?xí)r間為30 min.試樣磨損量采用磨損前后的質(zhì)量差，jq到0.0001 g，磨損率單位為g /Nm.試驗(yàn)在室溫干摩擦狀態(tài)下進(jìn)行．

3  結(jié)果與討論

是硅灰石填充的BMI復(fù)合材料的摩擦系數(shù)隨硅灰石的用量變化．可見(jiàn)，在BMI中加入硅灰石粉，隨其用量的增加摩擦系數(shù)逐漸減?。送?，還發(fā)現(xiàn)不同粒徑的硅灰石粉對(duì)BMI的減摩作用不同，粒徑越大使摩擦系數(shù)減小的越少．硅灰石是一種無(wú)機(jī)填料，能降低BMI的摩擦系數(shù)是一種有趣的現(xiàn)象，值得深入研究．根鋸摩擦學(xué)原理，滑動(dòng)副間的摩擦 0.5起因于摩擦表面的分子和機(jī)械作用．當(dāng)純BMI與鋁環(huán)摩擦?xí)r，摩擦主要來(lái)源于接觸表面微凸峰間的分子粘附作用，機(jī)械作用較弱．當(dāng)硅灰石填充到BMI中后使接觸表面純BMI與鋁環(huán)的粘附面積減小，這將導(dǎo)致摩擦的粘附作用減?。硗猓捎诠杌沂鄣牧捷^小且硬度較低，特別是摩擦脫落的硅灰石粉可能起到滾珠支撐作用m，使BMI復(fù)合材料與鋁環(huán)的機(jī)械作用并沒(méi)有明顯增加．因此，硅灰石填充的BMI 圖l硅灰石填充BMI復(fù)合材料摩復(fù)合材料與鋁環(huán)的摩擦系數(shù)下降，擦系數(shù)隨硅灰石用的變化圖2是BMI復(fù)合材料和鋁環(huán)的磨損率隨硅灰石粉用量的變化．可見(jiàn)，硅灰石粉加入到BMI中．可以顯著地降低BMI和鋁試環(huán)的磨損量，并隨硅灰石粉的用量增加和粒徑變小，其減磨作用增加。

    硅灰石粉的抗磨作用主要是因?yàn)槠錇槎汤w維狀無(wú)機(jī)填料，長(zhǎng)徑比為5：1到15：1，其主要成分為CaO和SiO2,如前所，純BMI與鋁環(huán)的摩擦以粘著轉(zhuǎn)移膜的方式進(jìn)行，但這種轉(zhuǎn)移膜并不牢固，當(dāng)加人硅灰石粉以后，可使BMI復(fù)合材料的斷裂強(qiáng)度增加，同時(shí)細(xì)而硬的硅灰石粉有拋光作用，使鋁環(huán)表面的氧化膜脫落，新鮮表面裸露，研究表明，CaO和SiO2,能促使聚合物在金屬表面的轉(zhuǎn)移膜變得牢固，滑動(dòng)在轉(zhuǎn)移膜和BMI復(fù)合材料的進(jìn)一步磨損，使它的耐磨性也提高，這一分析可由圖3BMI復(fù)合材料和鋁環(huán)磨損表面的SEM形貌證實(shí)，由圖3a可見(jiàn)，鋁環(huán)表面有褐色轉(zhuǎn)移膜和極細(xì)的拋光條紋，從圖3b中可見(jiàn)，BMI復(fù)合材料摩擦表面有附著并且較光滑。

此外，硅灰石的針狀晶體結(jié)構(gòu)和具有短纖維的增強(qiáng)作用，可以改善BMI基體的韌性，增加其熔融粘度和成型尺寸的穩(wěn)定性，對(duì)硅灰石質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%的BMI復(fù)合材料進(jìn)行測(cè)試，其洛氏硬度HRM為115，成型溫度由純BMI的210℃提高到220~230℃?？梢?jiàn)，硅灰石填充到BMI中，對(duì)BMI的硬度，耐高溫等性能影響不大，因此，發(fā)揮硅灰石作為摩擦調(diào)節(jié)劑的優(yōu)良性能，使BMI成為性能優(yōu)異、耐熱好的有機(jī)摩擦材料是可行的，本文的研究為優(yōu)化設(shè)計(jì)綜合性能較好的多組合摩擦材料配方提供了依據(jù)。

結(jié)論

1、 硅灰石可以提高BMI的耐磨性，改變其摩擦特性，并且隨硅灰石用量的增加和粒徑減小，BMI和鋁環(huán)的耐磨性增加，摩擦系數(shù)減小，但是用量超過(guò)50%后，這種影響差異變小。

2、 硅灰石提高BMI和鋁環(huán)的耐磨性主要與生成具有防護(hù)作用的轉(zhuǎn)移膜有關(guān)，硅灰石中的CaO和SiO2都可以促進(jìn)BMI在鋁環(huán)表面轉(zhuǎn)移膜的形成，使轉(zhuǎn)移膜與基體粘附作用增加。