纳米SiC增强碳纤维层合板摩擦磨损性能

侯思宇 杨 涛 原文慧 杜 宇

（1 天津市现代机电装备技术重点实验室，天津 300387）

（2 天津工业大学机械工程学院，天津 300387）

文 摘 为了探寻一种简便的制备纳米SiC 增强碳纤维层合板的方法，本文将纳米SiC 颗粒均匀分散在无水乙醇中，制备成不同质量分数的SiC 试剂，然后均匀喷涂在碳纤维预浸料表面，固化成型。对不同试件进行摩擦磨损实验，得到不同含量的纳米SiC 颗粒对碳纤维层合板摩擦因数、磨损量的影响规律，并且对磨损形貌和复合材料的硬度进行分析。实验结果表明：在碳纤维预浸料表面喷涂纳米SiC 颗粒能够有效改善碳纤维层合板的摩擦磨损性能；当纳米SiC 浓度为1%时，层合板的摩擦因数、磨损量、磨痕的宽度及深度较于不含纳米SiC的层合板分别降低52%，63%，32.3%，54.8%，摩擦磨损性能最好。

0 引言

碳纤维复合材料具有比强度高、结构质量轻等特性，被广泛运用到各类摩擦材料中［1-3］。但是，由于碳纤维与树脂基体复合时，界面的浸润性和粘结性差，使得碳纤维的某些性能难以充分发挥，因此，研究者将碳纤维的表面处理技术视为提高碳纤维树脂基复合材料摩擦磨损性能的关键技术之一［4］。马小龙［5］等使用偶联剂对PAN 基碳纤维进行表面改性以改善碳纤维与酚醛树脂基体之间的界面结合，从而降低复合材料的磨损率。李张义［6］等采用气相、液相氧化法等方法对碳纤维进行表面处理，探究不同表面处理方法对碳纤维增强硼改性树脂基复合材料的摩擦磨损性能。

同时，由于树脂固化后具有脆性大、对微裂纹较为敏感并且抗疲劳性能较差等特性，限制了碳纤维增强树脂基复合材料作为摩擦器件的应用，因此研究者利用无机材料改性树脂以增强其摩擦学性能［7-10］。M.R.AYATOLLAHI 等人［11］用碳纳米管及纳米氧化硅颗粒改性树脂，实验表明添加0.9 wt%的纳米氧化硅比不改性的复合材料磨损率降低82%。李得科等［12］通过不同配比的SiC/环氧改性酚醛树脂为预制原料，分析了SiC 含量对层合板摩擦磨损性能的影响。姚焕英等［13］发现使用8 wt%的SiC对树脂进行改性后，氰酸酯树脂/碳化硅复合材料的耐磨性相对于纯氰酸酯树脂复合材料提高77.5%。

然而，对纤维进行表面处理及无机颗粒改性树脂均需要繁琐的步骤和大量的时间，因此广大学者对制备工艺进行改进。Y.N SU 等［14］将碳纳米管喷涂到CF/PEEK 预浸料表面不仅极大改善层合板机械性能、导电性及热性能，也节省了大量处理材料的时间。A.Jain等［15］使用刷子将多壁碳纳米管改性的树脂均匀的刷到玻璃纤维布上，不仅有效降低玻璃纤维复合材料的磨损率，也为制备复合材料提供新思路。

SiC 具有高硬度、高强度、耐热耐腐蚀等特点，并且目前没有使用纳米SiC 颗粒处理碳纤维预浸料，以提高复合材料层合板摩擦磨损性能的研究。因此，本文通过实验改变纳米SiC 的浓度，研究纳米SiC 颗粒喷涂在碳纤维预浸料表面对碳纤维层合板摩擦磨损性能的影响。

1 实验

1.1 原材料

纳米SiC 型号为DK-SiC-001，由北京德科岛金科技有限公司生产，平均粒径40 nm，比表面积为39.8 m2/g，密度0.11 g/cm3。单向碳纤维预浸料（型号USN 15000，威海光威复合材料股份有限公司）。无水乙醇（天津市风船化学试剂科技有限公司生产），99.7 wt%。

1.2 试件制备

试件制备流程如下：

（1）将碳纤维预浸料裁成70 mm×50 mm 尺寸，然后分别放入电子天平中测量每块预浸料的质量，测量三次取平均值；

（2）使用超声波细胞粉碎机在400 w 功率下，将不同质量的SiC 颗粒分别分散在无水乙醇中，分散时间为60 min；

（3）将分散好的纳米SiC 乙醇溶液均匀喷涂到相应的碳纤维预浸料表面，待乙醇自然挥发完后，制备成纳米SiC-碳纤维预浸料；

（4）将不同质量分数的纳米SiC-碳纤维预浸料按照纯0°的方向进行铺放，铺层数量为50 层。使用模压固化成型的方式进行固化。固化条件为80℃固化60 min，升温至120℃固化90 min，然后使其自然冷却；

（5）将固化成型后的碳纤维层合板切割为30 mm×9 mm×7 mm 的摩擦磨损试件，并对试件类型进行编号，类型A（0.1）、B（0.5）、C（1）、D（3）、E（5）、F（0）分别对应纳米SiC 质量分数为0.1%、0.5%、1%、3%、5%、0%的试件。

1.3 表征测试

使用M-2000 型微机智能测控系统（张家口市诚信试验设备制造有限公司）进行摩擦磨损实验，载荷200 N，转速400 r/min，测试时间90 min。环-块式摩擦副结构简图如图1 所示。采用HV-1000 显微硬度计（上海联尔试验设备有限公司制造）测硬度，加载1 kg 的载荷。本实验使用白光干涉三维表面轮廓仪获取磨痕的三维形貌，并且测量磨痕的宽度和深度。使用Leica DVM6 数码视频显微镜对层合板的磨痕进行观察（Leica DVM6 数码视频显微镜的最大放大倍数为2 350）。使用ZEISS Sigma 300 场发射扫描电子显微镜观察喷涂纳米SiC 颗粒的碳纤维预浸料表面SiC分布情况。

图1 环-块摩擦模型的摩擦副结构示意图Fig.1 Schematic diagram of friction pair of ring-block friction model

2 结果与讨论

2.1 显微硬度

试件硬度及增长率见表1。从表1 可以看出，添加纳米SiC 颗粒能够有效增强碳纤维复合材料的硬度，并且在0.1%～5%的，纳米颗粒含量越多，硬度越大。当碳纤维层合板中加入5%浓度的纳米SiC颗粒时，其硬度相比于不含纳米SiC 的试件增加26.9%。这是由于纳米SiC 是一种高硬度材料，喷涂到预浸料表面后会与树脂、碳纤维结合，固化成型后，能够有效提高碳纤维树脂基层合板的硬度。

表1 试件硬度及增长率Tab.1 Hardness and growth rate of specimens

2.2 摩擦磨损性能分析

2.2.1 摩擦因数

图2 是典型试件摩擦因数-时间曲线。可以看出，6种不同含量材料的摩擦因数整体走势基本保持一致。摩擦因数降到最小值后，无纳米SiC 的试件相比喷涂纳米SiC 的试件摩擦因数迅速升高。纳米SiC粒子浓度为1%的试件摩擦因数曲线最优。

图2 典型试件摩擦因数-时间曲线Fig.2 Coefficient of friction-time curve of typical specimens

2.2.2 磨损量

磨损量公式计算如下：

式中，m0、m1分别表示试件磨损前、后的质量。

对不同类型试件的磨损量进行计算得出当纳米SiC 含量为0%时，试件的平均磨损量是3.07 mg；当纳米SiC 的质量分数分别为0.1%、0.5%、1%、3%和5%时，试件的平均磨损量分别为2.40、2.13、1.13、1.50 和2.10 mg。对比有无纳米SiC 试件的平均磨损量数值可以发现，使用不同质量分数的纳米SiC 喷涂预浸料后，碳纤维层合板的磨损量均比无纳米SiC试件的磨损量小；对比不同质量分数的纳米SiC 试件的平均磨损量数值可以看出，随着纳米SiC 质量分数的增加试件的平均磨损量呈现先减小、后增加的趋势。

试件的平均磨损量及增长率见表2。可以看出，当纳米SiC 的质量分数为0.1%、0.5%时，试件的磨损量降低率为21.8%、30.6%；当纳米SiC 的质量分数增加到1.0%时，试件的磨损量降低率最大，为63.2%；但随着纳米SiC 质量分数的进一步增大，试件的磨损量增长率也增大，当纳米SiC 的质量分数为3%、5%时，试件的磨损量降低率为51.1%、31.6%。

表2 试件的磨损量及增长率Tab.2 Wear and growth rate of specimens

2.2.3 磨痕分析

图3 是试件磨痕的宽度与深度。试件磨痕的数值见表3。图4是试件磨痕的三维形貌图。

图3 试件磨痕的宽度与深度Fig.3 Width and depth of wear scar specimens

图4 磨痕的三维形貌Fig.4 Three-dimensional topography of wear scars

表3 试件磨痕Tab.3 Wear scar specimens

对比有无纳米SiC 试件的磨痕宽度和深度可以发现，含有不同纳米SiC 质量分数试件的磨痕宽度和深度均比无纳米SiC 试件的磨痕宽度和深度小；对比不同质量分数的纳米SiC 试件磨痕的宽度和深度可以发现随着纳米SiC 质量分数的增加，磨痕的宽度和深度均呈现先减小后增加的趋势，且当纳米SiC 的质量分数为1%时，磨痕的宽度和深度均最小分别为3.34 和68.2 μm，比无纳米SiC 试件的磨痕宽度和深度分别降低1.6和82.8 μm。

2.3 微观形貌分析

2.3.1 SEM分析

图5 为预浸料表面纳米SiC 分散情况。可见，1wt%纳米SiC 颗粒比较均匀的散布在碳纤维预浸料表面，而5wt%纳米SiC 颗粒在预浸料上的散布情况，有部分纳米SiC 颗粒聚在一起出现了纳米团聚物。同时，用乙醇溶液分散后喷涂到预浸料表面时会形成水滴状的纳米SiC 乙醇溶液附着在预浸料表面，由于一些小水滴之间的引力聚集到一起，导致部分区域的SiC 浓度增大，当乙醇挥发后导致纳米SiC 颗粒留在预浸料表面，而后出现纳米颗粒团聚现象。

图5 预浸料表面纳米SiC分散情况Fig.5 Dispersion of nano-SiC on the surface of prepreg.

图6 为层合板表面SEM 分析图。如图6（a）所示，当预浸料没有喷涂纳米SiC 时，层合板中有明显的缺陷存在；如图6（b）所示，当预浸料表面喷涂纳米SiC 后，固化后的层合板表面平整度好，凹坑被纳米SiC 颗粒填平。这是由于加入的纳米SiC 会进入到环氧树脂的缺陷处，填补复合材料的结构缺陷，进而提高复合材料的摩擦学性能。

图6 层合板表面SEM分析图Fig.6 SEM of laminate surface

2.3.2 磨痕形貌分析

为了研究纳米SiC 含量对碳纤维增强树脂基复合材料摩擦磨损性能的影响，对6组试件的磨损表面形貌进行观察。图7是典型试件的磨损表面形貌。

图7 典型试件的磨损表面形貌Fig.7 Wear scar microstructure of typical specimens.

磨损的严重程度为F（0）＞A（0.1）＞B（0.5）＞E（5）＞D（3）＞C（1）。如图7（f）所示，无纳米SiC 的试件磨损表面粗糙，呈“鱼鳞状剥落”，以磨粒磨损为主。这是由于在磨损过程中与对磨环实际接触的只是试样表面的大量微凸点，材料相对较软且表面存在结构缺陷，因此在载荷的作用下发生变形、接触、黏合从而产生微裂纹。随着摩擦磨损时间的增长，微裂纹进一步扩展，并导致部分表面脱落从而形成磨屑。与试件F（0）相比，喷涂纳米SiC的试件磨损表面相对平滑。原因是：（1）纳米SiC 提高了复合材料基体的承载能力，并且抑制了裂纹的产生与扩展，从而具有更好的耐磨性；（2）在摩擦磨损实验中试件和对磨环的接触面间会形成含有纳米SiC 的转移膜，由于纳米SiC 具有固体润滑作用，使得该转移膜具有较好的润滑性，从而减少磨损。纳米SiC含量为1%时，试件的磨损表面最光滑，以黏着磨损为主。原因是：（1）适量的纳米SiC 可以有效填充材料表面的结构缺陷，提高材料的表面质量，从而提升磨损性能：（2）适量的纳米SiC 在基体中均匀的分散，较快弥补复合材料的磨痕，使材料磨损表面看起来光滑。随着纳米SiC 含量继续增加，由于纳米SiC 过多，容易团聚，从而形成应力集中点，受到载荷作用的纳米SiC 颗粒从基体脱落形成散料，形成磨料磨损；同时过多的纳米SiC 无法均匀分散，对材料结构造成影响，进而影响碳纤维树脂基复合材料的摩擦磨损性能。

3 结论

（1）摩擦实验表明纳米SiC 颗粒能够有效改善碳纤维层合板的硬度及摩擦学性能。在碳纤维预浸料表面喷涂适量的纳米SiC 乙醇溶液，使得成型后的含纳米SiC的碳纤维层合板可获得比未添加纳米SiC颗粒的层合板更优异的摩擦学性能。

（2）碳纤维层合板的硬度随纳米SiC的含量增加而增大。当喷涂5%含量的纳米SiC时碳纤维层合板的硬度最大，相较于不含纳米SiC的试件硬度提高26.9%。

（3）不同含量的纳米SiC 改善层合板的摩擦磨损性能的效果不同，且随纳米SiC 的含量的增多先增加后减小。在碳纤维预浸料表面喷涂1%含量纳米SiC乙醇溶液时可获得最佳的摩擦学性能，磨损量较不含纳米SiC 的试件可降低63%，磨痕的宽度和深度最小，分别为3.34 mm、68.2 μm。