短碳纖維增強(qiáng)銅基復(fù)合材料的摩擦磨損性能研究_圖文

1、短碳纖維增強(qiáng)銅基復(fù)合材料的摩擦磨損性能研究St udy of Friction and Wear Properties of Cu/ShortCarbon Fibers Co mpo sites唐誼平 , 劉 磊 , 趙海軍 , 朱建華 , 胡文彬 (上海交通大學(xué) 金屬基復(fù)合材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 , 上海 200030 TAN G Y i 2ping , L IU Lei , ZHAO Hai 2jun , ZHU Jian 2hua , HU Wen 2bin (State Key Laboratory of Metal Mat rix Compo sites , Shanghai Jiaot

2、ong University , Shanghai 200030, China 摘要 :采用冷壓燒結(jié)工藝制備了短碳纖維增強(qiáng)銅基復(fù)合材料 ,含量 、 載荷 、 轉(zhuǎn)速等對復(fù)合材料摩擦性能的影響 。 結(jié)果表明 :增加復(fù)合材料的耐磨性能進(jìn)一步提高 ; 隨載荷和轉(zhuǎn)速的提高 ,損轉(zhuǎn)變?yōu)閯儗幽p , 并均伴有一定的氧化磨損 。關(guān)鍵詞 :短碳纖維 ; 銅基復(fù)合材料 ;中圖分類號 :TQ153; T G :A :100124381(2007 0420053204co reinforced wit h short carbon fibers (CFs were prepared by cold p using c

3、opperized short CFs. The f rictio n and wear properties of t he compos 2 ites were The influence of short CFs content s , load and rotating speed on tribological behavior of compo sites was discussed. The result s showed t hat t he wear resistance imp roved wit h t he increas 2 ing of fiber volume f

4、raction. Bot h f riction coefficient and wear mass loss increased wit h increasing load and rotating speed respectively. The wear mechanism was t ransferred f ro m abrasive wear for p ure Cu to delamination wear for Cu/short CFs composites.K ey w ords :short carbon fiber ; copper mat rix compo site

5、; f riction and wear 碳纖維具有高比強(qiáng)度 、 高比模量 、 高的導(dǎo)熱和導(dǎo) 電 、 低的熱膨脹系數(shù)和好的自潤滑性能 , 其作為增強(qiáng)材 料廣泛地應(yīng)用于樹脂和金屬基復(fù)合材料中 1-3。碳纖 維增強(qiáng)銅基復(fù)合材料綜合了兩種材料的優(yōu)點(diǎn) , 是一種 很有前途的功能材料 , 可用作電子封裝材料 、 電接觸材 料 、 熱交換材料等 4-7。但碳纖維與銅之間的浸潤性 差 , 且兩者在高溫下既不互溶又不反應(yīng) , 很難制備出界 面結(jié)合良好的復(fù)合材料 , 因而限制了該材料的應(yīng)用與 發(fā)展 。 通過對碳纖維的表面改性可以很好地解決上述 問題 , 如電鍍 、 化學(xué)鍍 、 氣相沉積 、 熱噴涂等方法 , 其

6、中 電鍍法具有成本低廉 、 工藝簡單等優(yōu)點(diǎn) , 是一種很有前 途的碳 纖維 金屬化 工藝 。 在前 期的 研 究 工 作 基 礎(chǔ) 上 8, 本工作開發(fā)了一種對短碳纖維直接金屬化的工 藝 , 并成功地制備了銅基復(fù)合材料 。碳纖維增強(qiáng)銅基復(fù)合材料具有較好的摩擦磨損性 能 , 在耐磨 、 減摩材料中有很好的應(yīng)用前景 7,9-11。本 工作對該復(fù)合材料的摩擦磨損性能進(jìn)行了系統(tǒng)的研 究 , 討論了短碳纖維含量 、 載荷 、 轉(zhuǎn)速等的影響 , 并探討 了碳纖維在摩擦行為過程中的作用 。1 實(shí)驗(yàn)方法1. 1 試樣制備碳纖維為日本東麗的 T300型 , 長度為 12mm , 用開發(fā)的電鍍工藝直接電鍍銅 , 之

7、后用冷壓燒結(jié)工藝 制備出短碳纖維增強(qiáng)的銅基復(fù)合材料 。壓制壓力為 600M Pa , 燒結(jié)溫度為 850 , 氮?dú)鉃楸Ｗo(hù)氣氛 , 得到四 種不同含量的銅基復(fù)合材料 , 其纖維體積分?jǐn)?shù)依次為 9. 3%, 13. 8%, 17. 9%, 23. 2%。 圖 1為不同短碳纖 維含量的銅基復(fù)合材料的金相形貌 。由圖 1可知 , 纖 維在基體中的分布比較均勻 , 基體中沒有明顯的缺陷 。 圖 2為碳纖維與銅基體界面的掃描電鏡照片 , 可以看 出 , 銅基體與纖維浸潤良好 , 界面處無孔洞或縫隙 , 說 明界面結(jié)合良好 。35 短碳纖維增強(qiáng)銅基復(fù)合材料的摩擦磨損性能研究 圖 1 不同短碳纖維含量的銅基復(fù)

8、合材料的形貌 (a 13. 8%的碳纖維 ; (b 23. 2%的碳纖維Fig. 1 Morphologies of Cu/short CFs composites (a 13. 8%of CFs ; (b 23. 2%of CFs圖 2碳纖維與銅基體界面的微觀形貌Fig. 2 SEM micrograph of t he interfacebetween CFs and t he Cu mat rix1. 2 顯微硬度測試和摩擦磨損實(shí)驗(yàn)復(fù)合材料顯微硬度在 HX 21000上進(jìn)行 , 施加載荷為 50g , 時(shí)間為 10s , 硬度值為 10個(gè)不同部位的平均 值 ; 摩擦性能在 MMU 25G

9、 摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行 , 實(shí) 驗(yàn)條件 :對偶 件為軸 承鋼 GCr15, 其化 學(xué)成 分 為 C 0195%1105%; Si 0115%0135%; Mn 0120%0140%; ,Cr 1130%1165%, 余 量 為 鐵 , 硬 度 值 為 HV760, 載荷為 50N , 轉(zhuǎn)速為 50r/min , 時(shí)間為 60min ;在精度為 011mg 的分析天平上稱量試樣磨損前后的質(zhì)量 , 其差值即為磨損量 ; 用掃描電鏡分析磨損表面的 形貌 ; 用能譜分析磨痕及對摩件表面成分 。2 結(jié)果與討論2. 1 短碳纖維含量的影響不同短碳纖維含量對復(fù)合材料的摩擦系數(shù)的影響 如圖 3所示 。 從圖

10、3可知 , 隨著碳纖維含量的增加 , 摩 擦系數(shù)曲線逐漸降低且變得平整穩(wěn)定 。 其中曲線 1最 為不穩(wěn) , 上下波動較大且有上升趨勢 , 而曲線 5最為平 整且波動最小 。 表 1是不同試樣的摩擦系數(shù) 、 磨損量 及顯微硬度 , 由表 1可知 , 隨著短碳纖維含量的增加 ,復(fù)合材料的摩擦系數(shù)和磨損量明顯降低 , 而顯微硬度卻有較大提高 度 , 。圖 3 不同短碳纖維含量對摩擦系數(shù)的影響Fig. 3 Effect of volume fraction of short CFs on friction coefficient表 1 不同短碳纖維含量的復(fù)合材料的摩擦系數(shù) 、 磨損量及顯微硬度Tabl

11、e 1 Effect of short CFs contents on f riction coefficient , wear behavior and microhardnessVolume fration of fiber/%Friction coefficient Wear mass loss/(mg m -1 Microhardness09. 313. 817. 923. 20. 380. 270. 200. 170. 121. 6310-21. 5410-37. 3810-32. 9110-4-478. 082. 683. 996. 5103. 02. 2 載荷和轉(zhuǎn)速的影響表 2,

12、 3是載荷和轉(zhuǎn)速對短碳纖維體積含量為 1719%的復(fù)合材料的摩擦磨損性能的影響 。 隨著載荷和轉(zhuǎn)速的增加 , 復(fù)合材料的摩擦系數(shù)和磨損量增加 。 對摩件表面的硬度遠(yuǎn)大于復(fù)合材料 , 復(fù)合材料表面所 受到的循環(huán)正壓力與摩擦力也越來越大 , 也就是說受 到的剪切破壞越來越強(qiáng) , 導(dǎo)致了表面大量的變形 , 并使 摩擦力也增加 , 因此提高了摩擦系數(shù)和磨損量 。45 材料工程 / 2007年 4期 表 2 載荷對摩擦系數(shù)及磨損量的影響Table 2 Effect of applied loads onf riction and wear behaviorLoad/N Friction coeffici

13、entWear mass loss/(mg m -10. 170. 190. 240. 282. 9110-43. 6310-47. 2510-4-3表 3 轉(zhuǎn)速對摩擦系數(shù)和磨損量的影響Table 3 Effect of rotating speed on frictioncoefficient and wear behaviorRotating speed/(r min -1Friction coefficient Wear mass loss/(mg m -1 501001500. 170. 210. 282. 9110-46. 6510-41. 7610-32. 3 摩擦磨損機(jī)制圖 4為

14、在 100N ,50r/min 下純銅的磨損表面和磨屑形貌 。 在純銅的磨損表面可以觀察到大量的凹坑 、 裂縫和塑性變形而引起的韌窩 。在摩擦過程中 , 較硬 的對摩件微凸體將壓入純銅試樣中 , 而引發(fā)了磨損和 粘著 , 這將阻礙對摩件和試樣的運(yùn)動 , 因此 , 摩擦系數(shù) 和磨損量必然增大 。 裂縫的發(fā)展可能是由于較硬的磨 屑對純銅試樣的壓痕影響所造成的 。 與對摩件 GCr15相比 , 純銅試樣較軟 , 因此在該過程中主要是純銅的磨 損和轉(zhuǎn)移 。 對收集起來的磨屑的觀察可知 , 磨屑非常 細(xì)小且相互聚集 。 因此對純銅試樣來說 , 粘著磨損為 主要的摩擦磨損機(jī)制 。 短碳纖維的加入提高了基體

15、的顯微硬度 , 能有效 阻礙基體的變形 。 , 局部的接觸區(qū) , 可以 。 17. 9%的復(fù)圖 4 純銅試樣的微觀形貌 (a 磨損表面 ; (b 磨屑Fig. 4 SEM micrographs of worn surface (a and debris (b of pure Cu合材料的磨損表面及磨屑形貌如圖 5所示 。 在磨損表面可以發(fā)現(xiàn)沿磨損方向有大量的塑性變形和裂紋 。 圖 6和圖 7為復(fù)合材料 Cu 217. 9%短碳纖維的磨損表面和對摩件的 EDS 分析 。 可以發(fā)現(xiàn) , 在磨損表面有幾乎 可以忽略的鐵峰 , 而在對摩件表面有很弱的銅峰 , 因此 可以推斷在摩擦磨損過程中 , 只有

16、很少的物質(zhì)轉(zhuǎn)移 。與純銅相比 , 摩擦機(jī)制從粘著磨損轉(zhuǎn)變?yōu)榱藙儗幽p 。 另外 , 磨損表面存在的氧峰 , 說明了有氧化磨損的存 在 。 復(fù)合材料的亞表層受到了周期性的應(yīng)力作用 , 因 此塑性變形和層錯(cuò)不斷積累 , 最后形成了微觀裂紋 , 裂 紋不斷長大和結(jié)合 , 導(dǎo)致了磨損表面的裂紋出現(xiàn) , 并形 成了薄片狀磨屑 。圖 5 復(fù)合材料 Cu 217. 9%短碳纖維的微觀形貌 (a 磨損表面 ; (b 磨屑Fig. 5 SEM micrographs of worn surface (a and debris (b of Cu 217. 9%short CFs composites55 短碳纖維

17、增強(qiáng)銅基復(fù)合材料的摩擦磨損性能研究 碳纖維具有石墨微晶結(jié)構(gòu) , 因此具有較低的摩擦系數(shù) 12,13。 A. Daoud 14對 30%短 碳 纖 維 增 強(qiáng) 的 2014Al 復(fù)合材料的摩擦磨損性能的研究發(fā)現(xiàn) , 在試樣 的表面有相當(dāng)于固體潤滑劑的石墨膜的形成 。 圖 6中 的 EDS 數(shù)據(jù)顯示 , 復(fù)合材料磨損表面的碳含量高達(dá) 18. 62%(質(zhì)量分?jǐn)?shù) , 明顯高于復(fù)合材料本身的含碳 量 。 而對摩件的表面除本身含有的鐵外 , 還有高碳和 低銅含量 (見圖 7 , 因此可以說明在兩金屬之間有富 碳層的形成 。 在摩擦過程中 , 雖然碳纖維起到了一定圖 6 復(fù)合材料 Cu 217. 9%EDS

18、 分析Fig. 6%圖 7 對摩件磨損表面的 EDS 分析Fig. 7 EDS analysis on worn surface of t he counterpart的限制作用 , 但試樣表面仍有金屬的塑性流動 , 因此一些纖維最終被剝離而裸露出來 。 這些碳纖維被碾碎成 細(xì)小的顆粒 , , 阻止了 。, 。 在 150N ,50r/min, 如圖 8a 所示 。當(dāng) 載荷和轉(zhuǎn)速分別增加到 300N ,150r/min 時(shí) , 大的裂紋 和較深的凹坑出現(xiàn)在表面 , 如圖 8b 所示 。圖 8 短碳纖維銅基復(fù)合材料的磨損表面形貌 (a 150N ,50r/min ; (b 300N ,150r/

19、minFig. 8 SEM morphologies of worn surfaces of Cu/short CFs composites (a 150N ,50r/min ; (b 300N ,150r/min3 結(jié)論(1 與純銅相比 , 短碳纖維的加入大大提高了復(fù)合材料的耐磨性能 。隨短碳纖維含量的增加 , 復(fù)合材料的摩擦系數(shù)和磨損量降低 , 顯微硬度增加 。而隨載 荷和轉(zhuǎn)速的增加 , 摩擦系數(shù)和磨損量也增加 。(2 純銅和復(fù)合材料的主要摩擦磨損機(jī)制分別為 粘著磨損和剝層磨損 , 并都伴有氧化磨損 。(3 短碳纖維的加入限制了基體的變形 , 阻礙了 銅基體的軟化 , 并在磨損表面形成了富

20、碳層 , 從而提高 了復(fù)合材料的耐磨性能 。參考文獻(xiàn)1 DONN ET J B , BANSAL R C , WAN G M J. Carbon fibers M .New Y ork :Marcel Dekker Inc , 1990.2 PAR K S J , CHO M S. Effect of anti 2oxidative filler on t he inter 2facial mechanical properties of carbon 2carbon composites measured at high temperature J.Carbon ,2000,38:1053-

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23、粉的表面 。另外 , 反應(yīng)溫 度過高 , 溶液中銀的生成速率過快 , 甚至?xí)l(fā)生自分解 反應(yīng) , 導(dǎo)致在反應(yīng)器表面有銀鏡反應(yīng)發(fā)生 。這都不利 于銀對 Fe 3O 4粉的包覆 。3 結(jié)論(1 制備的鍍銀 Fe 3O 4粉在相同條件下與原粉比 較 , 經(jīng) XRD 和 SEM 檢測 , 證明 Fe 3O 4粉表面包覆了 均勻 、 完整的銀層 , 具有良好的導(dǎo)電性能 。(2 反應(yīng)體系中使用無水乙醇可提高鍍銀 Fe 3O 4粉的導(dǎo)電性能 , 隨其用量的增加 , 鍍銀 Fe 3O 4粉的體 積電阻率顯著減小 。(3 AgNO 3用量對鍍銀 Fe 3O 4粉的導(dǎo)電性能影響 顯著 , 隨 AgNO 3用量的增

24、加鍍銀 Fe 3O 4粉的體積電阻率減小 。 當(dāng) m Fe 3 O 4 m AgNO3=10 6層銀包覆完整的鍍銀 Fe 3O(4Fe 3O 4粉時(shí) 0. L 為宜 , 反應(yīng)溫 度以 50 為宜參考文獻(xiàn)1 劉飚 , 官建國 , 王琦 , 等 . 核殼型鐵鈷復(fù)合材料的制備及其微波吸 收性能的研究 J.功能材料 ,2005,36(1 :133-135.2 XU Xin 2rui , L UO Xiao 2jun , ZHUAN G Han 2rui , et al. Electro 2 less silver coating on fine copper powder and it s effec

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