本文關(guān)鍵詞：樹脂基復(fù)合摩擦材料摩擦磨損機(jī)理研究及有限元模擬，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

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樹脂基復(fù)合摩擦材料摩擦磨損機(jī)理研究及有限元模擬

字體大小： | | 2016-02-21 18:33

 【摘要】：樹脂基摩擦材料的組分大致可分四個部分,即粘接劑、增強(qiáng)材料、填料和摩擦調(diào)節(jié)劑,并分別由纖維、礦物填料、潤滑材料和增摩材料為主體構(gòu)成。 在所有的組分中,粘接劑具有非常重要的地位,其中酚醛樹脂(PF)基摩擦材料受到最廣泛的關(guān)注和應(yīng)用。然而酚醛樹脂脆性較大且耐熱性能有限,以其為基體的摩擦材料容易在350℃下產(chǎn)生較嚴(yán)重的熱衰退和磨損。苯并噁嗪樹脂(BZ)是一種新型的酚醛樹脂,近年來在復(fù)合材料領(lǐng)域得到關(guān)注,以其為基體的復(fù)合材料有高強(qiáng)度、高模量和良好的耐熱性能等較多優(yōu)點(diǎn),然而由于工藝上的原因,如固化溫度過高、固化速度慢等,仍未在摩擦材料領(lǐng)域規(guī)模運(yùn)用。本研究將采用酚醛樹脂和丁腈橡膠(NBR)等對苯并噁嗪樹脂改性,從而降低其固化溫度并改善其熱力學(xué)性能。聚合物的玻璃化轉(zhuǎn)變會導(dǎo)致模量、強(qiáng)度和其它性能的變化,然而對于玻璃化轉(zhuǎn)變對摩擦和磨損影響的卻很少報道。本文研究了玻璃化轉(zhuǎn)變對不同粘接體系的樹脂基復(fù)合材料摩擦和磨損性能的影響,并建立了樹脂熱力學(xué)與摩擦學(xué)行為之間的內(nèi)在聯(lián)系。 增強(qiáng)組分對材料強(qiáng)度和摩擦性能均有重要影響�？稍谀Σ敛牧现胁捎美w維、片狀和納米材料進(jìn)行增強(qiáng)填充。然而由于這類材料單獨(dú)應(yīng)用存在性能缺陷,單一的增強(qiáng)方式很難同時滿足摩擦系數(shù)的速度、溫度和壓力穩(wěn)定性和較好耐磨性能的綜合性能的要求,一般需要混雜兩種以上的增強(qiáng)材料,以滿足摩擦材料綜合性能要求。研究表明,纖維復(fù)合的協(xié)同作用有助于降低材料的磨損率,以及更好地提高復(fù)合材料的力學(xué)性能。然而目前對采用多尺度、多形態(tài)的增強(qiáng)材料復(fù)合體系的研究尚較薄弱。為了進(jìn)一步提高摩擦材料摩擦系數(shù)的穩(wěn)定性、強(qiáng)度和耐磨損性能,本研究制備了微米-納米復(fù)合增強(qiáng)陶瓷型摩擦材料,以及具有“微米和納米”尺度、“一維(纖維)和二維(片狀)”形態(tài)、“無機(jī)和有機(jī)”材質(zhì)的以多尺度、多維度和多材質(zhì)為特征的多維復(fù)合增強(qiáng)體系。通過各增強(qiáng)組分的優(yōu)勢互補(bǔ),可達(dá)到一定的協(xié)同效應(yīng),從而得到綜合性能較好的共增強(qiáng)體系結(jié)構(gòu)。 由于納米材料填充改性的聚合物類復(fù)合材料結(jié)合無機(jī)材料和有機(jī)材料的優(yōu)點(diǎn),避免了大尺度復(fù)合材料的缺陷,具有較好的熱學(xué)和力學(xué)性能,從而得到較廣泛的應(yīng)用。氧化鋯具有高強(qiáng)度、高模量、耐磨損性能好和零熱膨脹等一系列優(yōu)良特點(diǎn)。為提高苯并噁嗪樹脂的耐熱性和耐磨性,我們在本研究領(lǐng)域首次采用納米氧化鋯對苯并噁嗪樹脂復(fù)合,制備納米氧化鋯增強(qiáng)苯并噁嗪樹脂復(fù)合材料,分別對氧化鋯含量對復(fù)合材料玻璃化轉(zhuǎn)變行為的影響,以及不同氧化鋯含量復(fù)合材料的玻璃化轉(zhuǎn)變對摩擦、磨損性能的影響進(jìn)行研究并進(jìn)行機(jī)理分析。 由于要起到傳動和制動作用,制動材料要求相對較高的摩擦系數(shù)。因此,一些具有磨削性質(zhì)的材料如SiO2、Al2O3、ZrSiO4、MgO等被加入并在提高傳動力和制動力的穩(wěn)定性方面取得了良好的應(yīng)用。然而,這類研究主要集中在磨削顆粒尺寸和含量對摩擦磨損性能的影響上,很少關(guān)注其顆粒形態(tài)。隨著對球形化材料研究和應(yīng)用的深入,納米和微米球形顆粒填充的復(fù)合材料逐漸受到關(guān)注。其復(fù)合材料顯示出很多優(yōu)異特性,如較高的硬度、高屈服強(qiáng)度和好的耐磨損性能。然而卻幾乎沒有針對采用球形顆粒作為增磨材料的研究。本文針對于此,研究了球形和無規(guī)則氧化硅用作增磨材料的應(yīng)用,分析顆粒的形狀對摩擦磨損性能的影響,此外還對球形氧化硅進(jìn)行表面改性,研究改性對摩擦性能的影響。 在摩擦材料中,摩擦系數(shù)的穩(wěn)定性是一個非常重要的指標(biāo)。摩擦材料的摩擦系數(shù)一般隨速度的增加而降低,在高速制動下,該特征表現(xiàn)的更為明顯。一系列的研究結(jié)果表明摩擦系數(shù)不但依賴于環(huán)境參數(shù),還與材料自身的彈性、粘彈性和塑性等因素相關(guān)。盡管有大量模型用于研究摩擦學(xué)過程,由于接觸條件、接觸形貌和材料特征的復(fù)雜性,摩擦學(xué)模擬仍舊處于初級階段。常用的摩擦學(xué)模型基于固定的接觸距離,但事實(shí)上接觸距離取決于較多條件,如相對運(yùn)動速度和潤滑特征,而不是一個固定值。相對于當(dāng)前常用的基于接觸距離的摩擦模型,我們提出了一個基于接觸壓力的摩擦模型。本模型中,接觸對的法向接觸距離將隨著相對滑動速度的變化而變化,從而能用于模擬基于壓力的接觸摩擦系統(tǒng)并得出良好的模擬效果。 本文對摩擦材料中的粘接、增強(qiáng)、填充、調(diào)節(jié)體系以及摩擦模型進(jìn)行研究,并得出以下具有一定創(chuàng)新意義的成果： (1)加入PF和NBR能夠降低BZ的固化溫度,并提高其固化材料的耐熱性。相應(yīng)的,P-B-N共聚體系的tan δ寬度和峰值的增加與聚合物間與聚合物和填充增強(qiáng)材料之間更強(qiáng)的交聯(lián)密度提高有關(guān)。玻璃化轉(zhuǎn)變對摩擦磨損行為有明顯的影響,測試過程中摩擦系數(shù)的明顯升高的過程與樹脂由玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變到高彈態(tài)的過程相對應(yīng)。復(fù)合材料基體的玻璃化轉(zhuǎn)變導(dǎo)致儲能和損耗模量的變化進(jìn)而對真實(shí)接觸面積和接觸區(qū)域的剪切力產(chǎn)生影響,從而導(dǎo)致摩擦力和磨損的變化。而P-B-N復(fù)合材料具有較高的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度從而具有更穩(wěn)定的摩擦系數(shù)和更低的磨損率。 (2)相對于單一增強(qiáng)方式,鈦酸鉀晶須-陶瓷纖維共增強(qiáng)方式下材料具備更好的熱穩(wěn)定性、摩擦穩(wěn)定性和耐磨損性能,該機(jī)理源于兩種增強(qiáng)材料之間具備的協(xié)同效應(yīng)。以玻璃纖維、銅纖維、礦物纖維、芳綸纖維、納米鈦酸鉀晶須和片狀蛭石等材料構(gòu)成具有“微米和納米”尺寸,“一維(纖維)和二維(片狀)”形態(tài),“無機(jī)和有機(jī)”材質(zhì)等特點(diǎn)的多維復(fù)合增強(qiáng)汽車摩擦材料,各增強(qiáng)相之間的互補(bǔ)和協(xié)同效應(yīng),使這種多維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)能將局部應(yīng)力以多種方式擴(kuò)散吸收,材料力學(xué)和摩擦磨損性能從而得以提高。 (3)加入少量的納米氧化鋯能很好的提高納米氧化鋯/苯并嗯嗪樹脂復(fù)合材料的熱、機(jī)械和摩擦磨損性能,且當(dāng)加氧化鋯入量為4%時,納米復(fù)合材料具備較高的摩擦系數(shù)和最佳的耐磨性。摩擦系數(shù)的溫度穩(wěn)定性隨壓力的增加而降低。壓力穩(wěn)定性隨溫度變化,溫度越高壓力穩(wěn)定性越差。在玻璃態(tài)和高彈態(tài)下,摩擦系數(shù)隨速度的增加而降低,然而在玻璃化轉(zhuǎn)變狀態(tài)下,摩擦系數(shù)隨速度的增加而增加。復(fù)合材料摩擦系數(shù)和壓力、溫度和速度穩(wěn)定性與儲能模量、損耗模量及基在玻璃化轉(zhuǎn)變下的變化密切相關(guān)。這是由于摩擦表面形貌及其力學(xué)性質(zhì)及粘彈性導(dǎo)致的能量耗散的溫度依賴性所決定的。 (4)球形和無規(guī)則氧化硅增強(qiáng)樹脂基復(fù)合摩擦材料中,復(fù)合材料摩擦系數(shù),衰退和恢復(fù)性能均隨著氧化硅的增加而增加,相對于普通球形氧化硅,無規(guī)則和表面改性球形氧化硅均更有助于提高摩擦系數(shù)、改善摩擦系數(shù)的抗衰退和恢復(fù)能力。樹脂基復(fù)合材料磨損率隨著氧化硅含量的增加而增加,然而球形氧化硅填充復(fù)合材料比無規(guī)則氧化硅填充復(fù)合材料具有更好的耐磨性,而表面改性球形氧化硅填充復(fù)合材料具有最佳的耐磨性。無規(guī)則氧化硅雖然能夠提高復(fù)合材料的摩擦系數(shù)、抗熱衰退和恢復(fù)性能,但卻導(dǎo)致材料磨損率的增加。而改性球形氧化硅不但能改善復(fù)合材料熱衰退和恢復(fù)性能還能提高材料的耐磨性。 (5)建立了基于接觸距離的動態(tài)有限元摩擦模型模擬玻璃化轉(zhuǎn)變對摩擦系數(shù)的影響,通過材料的玻璃化轉(zhuǎn)變特征解釋了材料的摩擦和磨損機(jī)理。模擬結(jié)果表明接觸距離和接觸過程中的能量損耗都與玻璃化轉(zhuǎn)變密切聯(lián)系,接觸距離隨速度而增加,能量損耗隨速度增加而降低,導(dǎo)致切向支反力和摩擦系數(shù)隨速度的增加而降低。

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