性能可调的自润滑叠层复合材料的摩擦学行为研究

以硅钢叠片为强性层,以含MoS2、石墨和环氧树脂构成的复合自润滑材料为塑性层,采用叠装-粘接工艺制备了强性层-塑性层相间的叠层复合材料.通过控制叠片数量,得到了塑性层含量可调的叠层复合材料.采用球-盘摩擦实验机对叠层复合材料的干摩擦性能进行了评价,结果表明:与无塑性层的叠层复合材料相比,含塑性层的叠层复合材料的摩擦学性能得到了明显改善.在载荷为6N、往复频率为4Hz的条件下,塑性层的面积比为40%的叠层复合材料的摩擦系数为0.15,磨损率为3.8×10-7 mm3/(N.m),比无塑性层的叠层复合材料分别降低了76.7%和96%.由磨痕表面的能谱分析发现,叠层复合材料的强性层表面含有C、S、Mo等元素,而在塑性层表面含有Fe、Si等元素,表明在摩擦热作用下塑性层的润滑剂渗出,并转移到摩擦表面形成转移膜,同时塑性层具有嵌藏金属磨屑的能力.在强性层与塑性层的协同作用下,叠层复合材料具有优异的耐磨减摩性能.     

一种改进的复合材料损伤塑性耦合模型

复合材料的损伤和破坏行为是相当复杂的,为了描述在复杂载荷条件下的材料的力学行为,可采用损伤与裂纹面间由摩擦诱导的塑性相结合的研究方法。在现有的复合材料摩擦塑性与损伤的耦合模型的基础上,在平面应力条件下,考虑了剪切应变对损伤能释放率的影响,适当地修正了损伤演化方程,从而建立了一种改进的复合材料损伤与摩擦塑性耦合模型。通过算例讨论了复合材料层板在复杂载荷作用下的力学行为,计算结果不仅反映了材料在加卸载过程中的剪切滞回现象,又反映了材料在一个加卸载循环内损伤值增加的实际情况,并且计算结果对应的理论曲线与试验曲线符合得很好。这种改进的模型除了可以解决复合材料的复杂加载问题,还可推广到材料的疲劳损伤的研究中。     

磁场强度对叠层复合材料摩擦学性能的影响

采用叠装-粘接工艺制备了不同润滑剂含量的钢-聚合物叠层复合材料,以GCr15钢球为摩擦配副,在球-盘摩擦试验机上考察叠层复合材料在不同磁场强度下的摩擦学性能.摩擦实验结果发现:随着磁场强度增大,不含润滑剂的叠层复合材料(S0)的摩擦系数和磨损率均发生显著降低;含润滑剂的叠层复合材料(S4)的摩擦系数和磨损率先缓慢降低后增大.用扫描电子显微镜(SEM)和能谱仪(EDS)观察磨损表面形貌和元素分布,分析其磨损机理表明:细小磨屑被磁场吸附在接触表面并形成了滚珠效应,显著改善了S0的磨粒磨损和粘着磨损;在摩擦热和涡流热作用下,润滑剂迁移到硅钢表面并形成转移膜,使得S4具有良好的润滑性能;在无磁场时S4的聚合物表面发生疲劳剥落,在磁场作用下聚合物以塑性流动和粘着磨损为主.     

仿生含油叠层复合材料的高温摩擦学性能

为了改善聚合物的高温摩擦学性能,从仿生学设计角度出发,将聚α烯烃(PAO)润滑油加入聚合物获得含油聚合物,并将含油聚合物填充至叠层沟槽表面,制备了含油叠层复合材料,并利用销盘摩擦试验机研究了不同温度下该材料的摩擦学性能。摩擦试验结果表明:随着试验温度升高,无油叠层复合材料的摩擦因数显著增大,并在150℃时发生润滑失效;含油叠层复合材料在25~150℃范围内具有极低的摩擦因数,但在200℃时平均摩擦因数增大到0.18。采用扫描电子显微镜进行磨损表面形貌分析,发现在高温摩擦时,无油叠层复合材料的金属表面为严重的磨粒磨损,聚合物表面为烧蚀磨损;含油叠层复合材料的金属表面为轻微的擦伤,聚合物表面为塑性流动。分析表明,含油聚合物的多孔结构中储存着润滑油,在温度激励下润滑油发生迁移运动,在热驱动下润滑油向摩擦表面渗出并能形成稳定的润滑油膜,从而改善了叠层复合材料的高温润滑寿命。     

碳纤维锻造复合材料的摩擦行为

采用模压成型工艺制备了环氧树脂基碳纤维锻造复合材料,测试了该材料在干摩擦和水润滑摩擦条件下的不同摩擦行为,研究了两种摩擦条件下摩擦系数的变化特性差异,并进一步分析了微观磨损机理.结果表明:两种不同摩擦条件下锻造复合材料的摩擦系数展现出不同的变化趋势,干摩擦条件下摩擦系数经历了初始稳定期、转移膜形成期和稳定期3个阶段,期间形成的含铁转移膜具有自润滑效应;水润滑摩擦条件下由水润滑膜主导复合材料的摩擦行为,摩擦过程能快速进入稳定期,摩擦系数和磨损率较小,磨损率保持较为稳定;锻造复合材料在两种摩擦条件下的摩擦系数减少率基本相同.     

35WC-钢复合材料的高温塑性流变磨损行为研究

本文采用高温塑性流变摩擦磨损试验方法,研究了35WC-钢复合材料高温塑性流变磨损的行为。用扫描电镜观察了试验前后试样的金相组织和试验后试样表面的磨痕形貌及其亚表层的组织结构。试验结果表明,35WC钢复合材料比SCrNiMo模具钢的高温塑性流变磨损抗力约高10倍。其高温塑性流变磨损特点主要是硬质相粒子脱落和磨粒磨损。     

FSP制备碳纤维增强铝基复合材料的强韧化机理

铝合金是汽车、航空等领域轻量化过程中的重要应用材料,但铝合金强度和塑性的不足限制了其应用。为了提高5052铝合金的强度及塑性,采用多道搅拌摩擦加工的方法成功制备出碳纤维增强铝基复合材料。对复合材料的力学性能和组织形貌进行了测试和分析,结果表明:复合材料的抗拉强度相较于母材提升了18.9%,延伸率提升了19.7%。通过扫描电镜和透射电镜观察发现复合材料中碳纤维弥散分布,复合材料断口观察到韧窝内有明显的碳纤维拔出痕迹,说明复合材料的强度及塑性提升与碳纤维的弥散分布及碳纤维的载荷转移作用有关。     

食品机械中自修复材料齿轮应用及噪声影响

介绍了复合材料的自修复技术及微胶囊自修复原理,提出在食品机械中采用加入微胶囊自修复材料的复合材料齿轮,实现食品机械减重、降噪.通过对新型齿轮复合材料试件摩擦过程中不同温度下的噪声数据分析和对比,探讨了自修复微胶囊对复合材料齿轮振动噪声性能的影响.实验结果表明,自修复微胶囊降低了齿轮的摩擦噪声.     

不同刹车压力下C/C复合材料的摩擦磨损性能

研究了粗糙层和光滑层2种不同热解炭与树脂炭混合基体炭/炭复合材料在不同制动压力下的摩擦磨损性能,且对摩擦表面与磨屑进行了SEM观察和分析,并采用X射线衍射与激光喇曼光谱测定了在不同刹车压力下摩擦表面的石墨化度.研究结果表明:C/C复合材料的摩擦因数由摩擦表面所形成的摩擦膜所决定,随着刹车压力的增大,摩擦膜更完整平滑,摩擦因数呈降低趋势,磨损则随刹车压力的增大而呈增大趋势;粗糙层结构C/C复合材料即使在高制动压力下,仍能具有较高的摩擦因数,显示出优良的高压摩擦性能;高压下摩擦表面会发生应力石墨化作用,这是高压下摩擦因数下降的原因之一.     

开槽位置对搅拌摩擦加工制备SiCp/铝基复合材料均匀性的影响

采用搅拌摩擦加工技术(FSP)制备SiCp增强铝基复合材料,研究不同开槽位置对SiCp分布均匀性的影响.结果表明:开槽位置影响塑性金属随搅拌头的迁移流动方式,导致复合材料宏观形貌和颗粒分布均匀性存在较大差异,轴肩作用区SiCp分布较为均匀,开槽位置处含量较高,SiCp分布不对称于加工中心.对不同开槽位置(前进侧、中间、返回侧)下复合材料横截面进行成分半定量分析表明:SiCp均匀性优劣程度依次为开槽位置位于前进侧、中间、返回侧.随着加工道次增加,塑性金属变形量增加,材料流动性增强,搅拌加工区域面积增大,前进侧开槽位置3道次加工后增强相SiCp破碎细化且均匀分布.