1.引言：

       聚合物及其混合物在摩擦設(shè)備中的廣泛應(yīng)用使得諸多學(xué)者對(duì)聚合物復(fù)合材料的摩擦性能進(jìn)行了研究分析。機(jī)械載荷和磨損率決定了聚合物復(fù)合材料在設(shè)備中的可適性。磨損可以定義為固體表面材料的損耗，是由接觸表面的相對(duì)運(yùn)動(dòng)所致。磨損的五種主要類型為磨料磨損、粘著磨損、微振磨損、腐蝕磨損和疲勞磨損；其中磨料磨損是五種磨損形式中最為常見也是最重要的一種磨損，占整個(gè)磨損類型的63 %。

       聚合物復(fù)合材料的磨料磨損常見發(fā)生在土方工程設(shè)備、管道、鑿巖、礦石破碎機(jī)等設(shè)備中。該材料強(qiáng)度高、硬度大、耐磨性好、能夠根據(jù)材料中纖維和基體組份的調(diào)整來改變材料性能。常用于軸承、凸輪、砂輪、葉輪、閘、離合器、傳動(dòng)帶和齒輪等設(shè)備，并收到摩擦載荷作用影響，從而是磨損更加嚴(yán)重。而基體中加入填料則增加了載荷承受容量，降低摩擦系數(shù)，改善耐磨性能和熱性能。此外，填料還能降低復(fù)合物復(fù)合材料的耗費(fèi)成本。

2.實(shí)驗(yàn)

2.1材料

       基體材料為LAPOXL-12級(jí)的環(huán)氧樹脂和K-6室溫固化劑。按照一定的重量百分比將環(huán)氧樹脂、花崗巖和碳化硅填料混合。環(huán)氧樹脂重量百分比不變，通過改變碳化硅填料和花崗巖填料的比例，制備出三種不同組份的復(fù)合材料。

2.2三體磨損試驗(yàn)

       根據(jù)ASTM G-65在干砂輪/橡膠砂輪磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行三體磨損試驗(yàn)。在旋轉(zhuǎn)橡膠砂輪和試樣接觸面處進(jìn)行磨料進(jìn)給。試驗(yàn)中旋轉(zhuǎn)速度為200 rpm。磨料進(jìn)給為235±5 g/min。通過失重計(jì)算磨損，磨損率（Ks）計(jì)算公式如下：

       V是容量損失（m3），L為載荷（N），D為磨削距離（m）。


2.3實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

       本研究利用田口法實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)（DOE）。DOE是在不同因子準(zhǔn)級(jí)下做實(shí)驗(yàn)并同時(shí)對(duì)多個(gè)因子的影響效果進(jìn)行分析研究。因子是一個(gè)對(duì)輸出結(jié)果有直接影響的變量或參數(shù)。準(zhǔn)級(jí)是對(duì)因子數(shù)值的設(shè)置；如表一所示：


       本研究采用L9陣列設(shè)計(jì)。試驗(yàn)觀察結(jié)果轉(zhuǎn)化為S/N比。

3.結(jié)果和討論

       整個(gè)實(shí)驗(yàn)有9組測試3個(gè)因子，如表二所示。利用田口法對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析；影響磨損的顯著參數(shù)如表三所示。


       利用minitab-15軟件進(jìn)行分析以便找到載荷、材料和磨削距離等不同因子的統(tǒng)計(jì)顯著性。表三可以看出：載荷影響最大、其次是距離，材料影響最小。

3.1主效應(yīng)和交互作用圖


       圖二為minitab-15軟件產(chǎn)生的主效應(yīng)圖，顯示了三個(gè)控制因子及其準(zhǔn)級(jí)對(duì)復(fù)合材料試樣的磨損率的影響。當(dāng)一個(gè)因子的不同準(zhǔn)級(jí)分別影響響應(yīng)時(shí)，就可以觀察到一個(gè)主效應(yīng)。當(dāng)線條為水平時(shí)，沒有主效應(yīng)；線條傾斜時(shí)出現(xiàn)主效應(yīng)。直線越陡峭，主效應(yīng)對(duì)磨損率的量級(jí)就越大。最小磨損率出現(xiàn)在20N載荷、1500m距離處。

       當(dāng)一個(gè)因子的效應(yīng)依賴另一個(gè)因子的準(zhǔn)級(jí)時(shí)，可以用交互作用圖來顯示其交互作用；圖中的平行線則表示沒有交互。線條間斜率差越大，交互程度也就越大。從圖三的交互作用圖可以看出，磨削距離和組份之間的交互作用對(duì)磨損率的影響最大。

3.2 變量分析

       ANOVA分析的結(jié)果如表四所示。表格最后一列為每個(gè)因子對(duì)復(fù)合材料磨損率的影響比例。


       從表中可以看出，載荷對(duì)復(fù)合材料磨損率的影響最大，占89.97 %；其次是磨削距離，占5.27 %；組份占據(jù)比例最小，為2.84 %。相關(guān)的合并誤差約1.90 %。

3.3載荷、磨削距離和組份對(duì)具體磨損率的影響

       圖四可以看出，磨損率隨磨削距離增大而減小，隨載荷增大而增大。與其他兩種組份相比，10 wt%碳化硅填料的G-E復(fù)合材料的磨損率相對(duì)較低；這是由于材料中填料分布均勻，基體和填料的粘合性較好。


3.4磨損表面形態(tài)

       為更好的關(guān)聯(lián)磨損數(shù)據(jù)，在不同載荷下拍攝磨削試樣的SEM照片。圖五、六、七分別為G-E材料和碳化硅填料G-E材料磨損表面的SEM特征圖，載荷為20N和40N。圖五中，G-E材料表面富含樹脂層，空隙和碎屑都比較少。樹脂層很好的改善了粘結(jié)性能和表面整體性。G-E材料的磨料磨損要比GE-SiC材料的磨損嚴(yán)重，這是由于沒有碳化硅填料的G-E材料基體較軟，受磨削力影響大，硬質(zhì)磨料和軟基體相互接觸摩擦引起基體損壞。


       在20N載荷下GE-SiC材料的表面較為光滑，基體損壞較為輕微且粘結(jié)較好；在40N載荷下材料表面較為粗糙，這說明磨損隨載荷增大而增大。

       圖六中5%碳化硅填料的G-E材料顯示出顆粒狀斷裂特征和較淺深度的表面波紋，這是由硬質(zhì)碳化硅顆粒和柔軟的環(huán)氧樹脂基體結(jié)合帶來的脆性所致。基體表面光滑，局部區(qū)域出現(xiàn)空白，這是由于磨削距離和載荷增大導(dǎo)致精細(xì)磨料破碎所致。

       圖七中10%碳化硅填料的G-E材料顯示出顆粒狀斷裂特征和深度更加淺的表面波紋，這說明由硬質(zhì)碳化硅顆粒和柔軟的環(huán)氧樹脂基體結(jié)合帶來的脆性更加明顯。

4.結(jié)論

       磨損率隨載荷增大而增大；隨磨削距離增大而降低。10%碳化硅填料的G-E材料耐磨性能要比其他兩個(gè)類型的材料要好。

       根據(jù)ANOVA分析，載荷對(duì)耐磨性影響最大，占89.97 %；磨削距離對(duì)其影響占5.27 %，其次是材料組份，占2.84 %。

       G-E復(fù)合材料的磨損表面說明出現(xiàn)了嚴(yán)重的基體損壞；而碳化硅填料GE材料的表面磨損則比較輕微，這是由于碳化硅硬質(zhì)顆粒相存在的緣故。