在 摩擦学的发展 1687 - 5923 1687 - 5915 Hindawi出版公司 431903年 10.1155 / 2012/431903 431903年 研究文章 优化干滑动磨损性能的陶瓷晶须填充环氧树脂复合材料使用田口方法 Sudheer M。 您正在 Ravikantha 拉 K。 Bhat Thirumaleshwara Cimenoǧlu Huseyin 机械工程系 圣约瑟夫工程学院 芒格洛尔575年028年,卡纳塔克邦 印度 sjec.ac.in 2012年 2 10 2012年 2012年 28 05年 2012年 05年 08年 2012年 09年 08年 2012年 2012年 版权©2012 m . Sudheer et al。 这是一个开放的文章在知识共享归属许可下发布的,它允许无限制的使用,分布和繁殖在任何媒介,提供最初的工作是正确的引用。

本研究评估独立参数的影响,如滑动速度( 一个),正常负载( B),填充内容( C)和滑动距离( D)对磨损性能potassium-titanate-whiskers (PTW)增强环氧复合材料使用的统计方法。PTW钢筋在环氧树脂准备晶须增强复合材料不同成分的使用真空辅助铸造技术。干滑动磨损进行了测试使用标准针盘后测试设置好实验进度计划基于田口正交数组。信噪比( 年代/ N率和方差分析(方差分析)参数的最佳组合,以减少磨损率决定。发现加入PTW大大提高了复合材料的耐磨特性。正常负载被发现是最重要的因素影响磨损率紧随其后的是( C),( D)和( 一个)。各种控制参数的交互作用不显著的复合材料的磨损率。

 1。介绍

聚合物基复合材料是复合材料的一个重要类,发现增加使用在航空、汽车、海洋和民用基础设施的应用程序。近年来,聚合物复合材料广泛用于摩擦学的组件如凸轮、刹车,轴承,齿轮,因为他们的自润滑性能,降低摩擦,更好的耐磨性。现在越来越多的聚合物复合材料被用作滑动组件,原先只有金属材料组成的 1, 2]。不过,正在探索其他领域的发展应用这些材料和调整自己的属性极限承载和环境温度条件。目前,使用陶瓷whisker-reinforced聚合物复合材料正在迅速增加。

胡须很短纤维异形单晶高完美和非常大的长径比。一般须具备高强度和刚度由于他们近乎完美的晶体结构( 3]。因此胡须估计更有效的增援部队比传统纤维碳纤维和玻璃纤维等。最近各种无机碳酸钙(CaCO等胡须3)、铝(Al2O3)、碳化硅(SiC),钛酸钾(PTW, K2“透明国际”6O13)、钛酸钡(BaTiO3),等等准备工作与不同的聚合物复合材料制造的矩阵。

几个研究人员观察到显著变化的力学和摩擦学性能聚合物钢筋与不同种类的胡须。冯et al。 4)注意到,PTW / PTFE复合材料的磨损率大幅下降,PTW含量从1%上升到20%。林等。 5)报道,最优CaCO内容3须在PEEK复合材料是15%到20%结合力学和摩擦学性能。Zhang et al。 6]研究了碳化硅和氧化铝的机械和耐磨性whisker-reinforced环氧复合材料,观察到胡须显著提高环氧树脂的弯曲模量和耐磨性。然而,Avella和同事( 7]提到,未经处理的碳化硅晶须添加为聚丙烯导致弹性模量的提高,但抗拉强度降低。王等人。 8]表明,氧化锌胡须有更好的增强效果比氧化锌粒子与尼龙。张成泽et al。 9)提出修改与陶瓷胡须代替橡胶增韧改善环氧树脂的耐冲击。在众多的无机填料,钛酸钾晶须(PTW, K2O·6 tio2)已被发现是一种很有前途的强化物的耐磨复合材料由于其独特的性质,如优秀的机械性能、低硬度(摩氏硬度4),和良好的化学稳定性。PTW是一种非常好的microreinforcing材料适用于增强复合材料非常狭小的空间,传统的填料都无法做。在实践中,它是一个很好的适合制造复杂形状的产品,伟大的精度,高抛光面。PTW的价格范围从十分之一到二十分之一的成本SiC胡须( 10]。在这方面,PTW被用来加强的大部分聚合物( 11- - - - - - 18]。

实验设计技术获得确凿的信息的最大数量最少的工作,时间,精力,金钱,或其他资源有限。信息一般包括产品和工艺参数之间的关系和期望的性能特点 19]。田口的技术是一个强大的工具用于实验的设计。田口方法的参数设计可以优化性能特征通过设计参数的设置和降低系统性能的敏感性差异的来源( 20., 21]。田口实验程序已成功申请参数评价聚合物复合材料在干滑动磨损研究[ 22- - - - - - 25]。论文发表的文献中,很少关注热固性复合材料的摩擦学的行为修改陶瓷胡须。探讨PTW-reinforced环氧复合材料的干滑动磨损特征的基础上,田口方法。

 2。材料和方法 2.1。材料

室温固化环氧树脂体系(LY556 + HY951)由亨斯迈先进材料印度经纪有限公司,班加罗尔被用作矩阵系统。PTW陶瓷片规用作钢筋是由杭州Dayangchem有限公司,香港。这些陶瓷的胡须是分裂的形状(图 1(一))和高长度/直径比20 - 40,和属性表中列出 1。

PTW的属性。

直径( μ米) 长度( μ米) 密度(g / cc) 抗拉强度(GPa) 拉伸模量(GPa) (摩氏硬度)
0.5 - -2.5 10 - 100 3.185 7 280年 4

扫描电镜的照片(a) PTW胡须,PTW填充环氧树脂(b) 15%。

2.2。制备的复合材料

一个开放的模腔尺寸 225年 × 225年 × 6 mm是将聚合物复合材料制作的。80°C的填充物是预热2小时删除任何水分现在和冷却到环境温度。所需数量的轻轻搅拌成液态环氧树脂填料,照顾,以避免引入气泡。树脂填料混合然后放置在真空(Hg 760毫米)大约2小时来删除任何裹入气。固化剂的比例添加到树脂在1:10,然后混合搅拌,确保完成。混合物被注入一个开放的金属模具涂有脱模剂,模具放置在一个钢化玻璃室保持低真空水平400 - 450 Hg毫米大约1小时。标本被允许治疗在室温和释放模具后24小时。铸造获得的复合材料板的维度 225年 × 225年 × 3 毫米。盘子然后在50°C 2小时后固化干热灭菌器。

试样的成分变化多达15%的填充加载间隔的5%。极端一直小心避免任何不良填料沉降效应,其胶凝浆前阶段,保持它在一个搅拌条件。这样做是为了确保铸型标本的统一的成分在其体积。PTW含量较高,意味着更高的粘度。由于处理难度,复合材料与超过15 wt % PTW不是捏造的。磨损试验的样本大小 10 × 10 × 3 毫米从铸造复合材料准备使用diamond-tipped铣刀。图 1 (b)显示15%的SEM照片PTW-filled环氧树脂。可以看出,填料均匀分布,具有良好的兼容性与环氧矩阵。

 2.3。磨损测试

干滑动磨损测试进行销盘测试设置(Ducom TR201C,班加罗尔)按ASTM G99-05继续(2010)标准( 26]。这个测试设置如图 2。磨损试验的样本大小 10 × 10 × 3 mm是粘钢销10毫米平方30毫米截面和长度和接触(EN31年级,62 HRC, 1.6 μRa)碳钢阀瓣。之前测试样本对好成绩砂纸抛光(1200砂砾原文如此),以确保适当的配合端面接触。测试参数是正常负载:10 N, 20 N, 30 N;滑动速度:0.5 m / s, 0.75米/秒,1米/秒;和滑动距离:500米、1000米、1500米。销和标本当时称在电子天平(日本岛津制作所、AY220 0.1毫克的准确性)。之前和之后穿测试样本与丙酮清洗,去除磨屑。减肥的测试样品给滑动磨损损失的措施。从测量体积损失计算减肥使用试样的密度数据。具体的磨损率( W 年代 )是根据计算 (1) W 年代 = V l × d , 在哪里 V 损失的体积是毫米吗3, l 是牛顿的负载, d 是在滑动的距离。

销盘试验设置。

 2.4。实验设计

实验设计是建模的强大的分析工具和分析控制因素对性能的影响输出。实验设计中最重要的阶段是在控制因素的选择 19]。四个参数,即滑动速度 ( 一个 ) ,正常加载 ( B ) 填充内容 ( C ) ,滑动距离 ( D ) 每三个水平,被认为是在这项研究中按照L27(313)正交阵列设计。控制参数及其水平表表示 2。四个参数都在三个层次需要 3 4 = 81年 运行在一个full-factorial实验,而田口的析因实验方法,减少它只有27运行提供一个很大的优势。实验的计划( 23, 25)如下:第一列的田口正交数组分配给滑动速度 ( 一个 ) 第二列,正常的负载 ( B ) 纤维含量,第五列 ( C ) ,第九列滑动距离 ( D ) 和剩余列分配给它们的交互和实验误差。

实验中使用的控制因素和水平。

控制因素 水平
我 二世 三世 单位
一个 :滑动速度 0.50 0.75 1.00 米/秒
B :正常加载 10 20. 30. N
C :填充内容 5 10 15 %
D :滑动距离 500年 1000年 1500年 米

实验观察结果转换为信噪比( 年代 / N )的比例。有几个 年代 / N 比例可以根据类型的特点,可作为损失函数的对数转换计算。对于低是更好的性能特点 年代 / N 计算按比例 (2) 年代 N = - - - - - - 10 日志 1 n ( ∑ y 2 ) , ,“ n “是观察和的数量” y ”是观测数据。“是更好的低”(磅)特点,与上面的 年代 / N 率转换,适用于最小化的磨损率。执行统计方差分析(方差分析)来识别统计上显著的控制参数。与 年代 / N 率和方差分析分析,磨损参数的最优组合预测精度的可接受的水平。最后一个确认实验进行验证最优工艺参数获得的参数设计( 21]。

 3所示。结果与讨论 3.1。磨损率的统计分析

分析了使用MINITAB软件14 [ 27专门用于实验的设计应用程序)。测试条件与输出结果 l 27 正交数组展示在表 3。从表 3,整体的意思 年代 / N 比磨损率被发现17.68 dB。数据 3(一个)和 3 (b)显示图形的影响控制因素对特定的磨损率。工艺参数设置最高的 年代 / N 比总是把与最小方差最优质量。图表显示的变化 年代 / N 比例控制系数的设置改变时从一个水平到另一个。最好的磨损率越高 年代 / N 值响应图。从故事情节很明显,因素的组合 一个 1 , B 1 , C 3 , D 3 给特定磨损率最低。因此最小特定开发复合材料磨损率是获得当滑动速度 ( 一个 ) 和正常的负载 ( B ) 在最低水平,填充内容 ( C ) 和滑动距离 ( D ) 处于最高水平。

测试条件与输出结果 l27正交数组。

SI。没有 滑动速度 一个 (米/秒) 正常负载 B (N) 填充的内容 C (%) 滑动距离 D (m) 特定的磨损率 W 年代 (毫米3/ N-km) 年代 / N 比(db)
1 0.50 10 5 500年 0.132890 17.5301
2 0.50 10 10 1000年 0.113821 18.8755
3 0.50 10 15 1500年 0.074015 22.6136
4 0.50 20. 5 1000年 0.161960 15.8118
5 0.50 20. 10 1500年 0.132791 17.5366
6 0.50 20. 15 500年 0.150674 16.4392
7 0.50 30. 5 1500年 0.118125 18.5532
8 0.50 30. 10 500年 0.130081 17.7157
9 0.50 30. 15 1000年 0.100449 19.9611
10 0.75 10 5 1000年 0.132890 17.5301
11 0.75 10 10 1500年 0.113821 18.8755
12 0.75 10 15 500年 0.095163 20.4307
13 0.75 20. 5 1500年 0.157807 16.0375
14 0.75 20. 10 500年 0.170732 15.3537
15 0.75 20. 15 1000年 0.138779 17.1535
16 0.75 30. 5 500年 0.149502 16.5071
17 0.75 30. 10 1000年 0.121951 18.2763
18 0.75 30. 15 1500年 0.102212 19.8100
19 1.00 10 5 1500年 0.132890 17.5301
20. 1.00 10 10 500年 0.130081 17.7157
21 1.00 10 15 1000年 0.111023 19.0917
22 1.00 20. 5 500年 0.224252 12.9853
23 1.00 20. 10 1000年 0.150407 16.4547
24 1.00 20. 15 1500年 0.132170 17.5773
25 1.00 30. 5 1000年 0.171650 15.3071
26 1.00 30. 10 1500年 0.130081 17.7157
27 1.00 30. 15 500年 0.126883 17.9319

(一)控制因素对磨损率的影响( 年代 / N 率)。(b)控制因素对磨损率的影响(的意思)。

增加了控制变量的影响从图可以观察到特定的磨损率 3 (b)。很明显,滑动条件的变化直接影响复合材料的磨损行为。滑动速度增加导致增加复合摩擦行动和钢片接口,因此磨损率增加。很明显,磨损率表现出与正常负载增加和减少的趋势。增加正常负载通常会导致复合材料的热软化和放松矩阵的材料磨损率增加。然而,撞出矩阵材料暴露了陶瓷胡须的接口和这些胡须能负载应用那里通过减少磨损率在高负载。这种变化在特定的聚合物复合材料的磨损率正常负载是由其他研究者也报道( 17, 23]。它是观察到的水平增加填充内容和滑动距离导致磨损率降低与填料的影响内容控制滑动距离对磨损率的影响。包含越陶瓷阶段如PTW导致降低复合材料的磨损率。这是因为PTW比环氧矩阵困难阶段提高了复合材料的耐磨特性。,这是可以理解的(操作)的滑动距离的增加会导致转移膜的形成( 28)穿盘,这有助于减少长时间滑下的磨损率。为了确定陶瓷颗粒在聚合物复合材料的磨损行为,杜兰et al。 29日]提出几种磨损机制如表面开裂,粒子分离,薄和厚的传输层接口,等等的聚合物复合材料提供了有效的磨损保护基质材料。射线和Gnanamoorthy 30.)解释说,三个机制,即:(i)矩阵材料损失;(2)填料磨损;和(3)形在填充聚合物复合材料的界面操作,一个在另一个因素占主导地位,控制复合材料的磨损行为。在目前的调查,发现PTW粒子,这在本质上是脆弱的,也有锐利的边缘从SEM图像明显,容易把矩阵并逐步得到滑动方向保持一致。这些粒子的形状、大小、脆性、硬度修改复合材料的磨损性能。

的 年代 / N 率响应表 4,可以得出的结论是,在所有的因素中,正常负载是紧随其后的是填充内容最重要的因素,滑动距离和滑动速度。分析结果得出的结论,最小化的磨损率而言,因素 一个 , B , C , D 有显著的影响。图 4说明了控制参数的交互作用。众所周知,交互时不发生互动情节上的线是平行的线交叉时和发生了强烈的相互作用参数( 31日]。考试的图 4产生一个小的控制参数之间的相互作用。为了进一步证明无关紧要的因素和无关紧要的交互(方差分析)进行了统计分析。

响应表信号噪声比。

水平 一个 B C D
1 18.34 18.91 16.42 16.96
2 17.77 16.15 17.61 17.61
3 16.92 17.98 19.00 18.47
δ 1.41 2.76 2.58 1.52
排名 4 1 2 3

之间的交互图 B , C , D 磨损率。

3.2。方差分析和因素的影响

方差分析是一种统计设计方法用于打破个人影响控制因素。每个控件的百分比贡献因素是用来测量相应的品质特性的影响。表 5显示了结果的方差分析特定的磨损率。这个分析是为5%的显著性水平,置信水平为95%。第七列的表 5指示意义的顺序和相互作用的因素之一。从表 5,一个可以观察到正常的负载( P = 0.000 )有更大的静态影响为38.67%,填充内容( P = 0.000 )有32.70%的影响,滑动距离( P = 0.002 )有一个11.34%的影响,滑动速度( P = 0.003 )的影响在特定的磨损率9.95%。然而,正常负载和填料之间的交互内容( P = 0.200 ),正常负载和滑动距离( P = 0.195 ),最后填充内容和滑动距离( P = 0.432 )显示特定磨损率的意义的贡献。

为特定的磨损率方差分析表。

源 景深 Seq党卫军 的学生 的女士 F 测试 P 价值 P (%)
滑动速度( 一个 ) 2 9.1245 9.1245 4.5623 18.52 0.003 9.95
正常负载( B ) 2 35.4780 35.4780 17.7390 71.99 0.000 38.67
填充的内容( C ) 2 30.0028 30.0028 15.0014 60.88 0.000 32.70
滑动距离( D ) 2 10.4056 10.4056 5.2028 21.11 0.002 11.34
B × C 4 2.0655 2.0655 0.5164 2.10 0.200 2.25
B × D 4 2.0972 2.0972 0.5243 2.13 0.195 2.29
C × D 4 1.0942 1.0942 0.2736 1.11 0.432 1.19
错误 6 1.4784 1.4784 0.2464 1.61
总 26 114.3166 One hundred.

S = 0.496392 R-Sq = 98.39% R-Sq (adj) = 93.02%。

景深:自由度;Seq SS:顺序平方和;的学生:调整平方和;的女士:调整意味着广场; P :比例的贡献。

目前的分析表明,干滑动磨损试验参数及其交互都统计和物理意义(百分比贡献>错误)的磨损行为环氧/ PTW复合材料。然而,填充内容和滑动距离之间的相互作用有统计学意义但没有任何物理意义( 32- - - - - - 34),因为错误相关的贡献比例以上的这些交互方差分析结果明显。

 3.3。确认实验

确认实验是实验设计过程的最后一步。确认试验的目的是验证结论在分析阶段( 20., 21]。估计 年代 / N 为特定的磨损率比使用参数可以计算出的最优水平的帮助下以下预测方程( 21, 24, 35]: (3) η - - - - - - 选择 = T - - - - - - + ∑ j = 1 k ( η j - - - - - - T - - - - - - ) ; j = 1、2 , … , k , 在哪里 T - - - - - - =整体实验的平均值 年代 / N 比率。 η j = 的意思是 年代 / N 比在最优参数水平。 k = 的主要设计参数数量明显影响环氧/ PTW复合材料的磨损率。最佳磨损参数的预测方程 一个 1 , B 1 , C 3 , D 3 可以写成/ (4) η - - - - - - 选择 = T - - - - - - + ( 一个 1 - - - - - - - - - - - - T - - - - - - ) + ( B 1 - - - - - - - - - - - - T - - - - - - ) + ( C 3 - - - - - - - - - - - - T - - - - - - ) + ( D 3 - - - - - - - - - - - - T - - - - - - ) + ( ( B 1 - - - - - - C 3 - - - - - - - - - - - - T - - - - - - ) - - - - - - ( B 1 - - - - - - - - - - - - T - - - - - - ) - - - - - - ( C 3 - - - - - - - - - - - - T - - - - - - ) ] + ( ( B 1 - - - - - - D 3 - - - - - - - - - - - - T - - - - - - ) - - - - - - ( B 1 - - - - - - - - - - - - T - - - - - - ) - - - - - - ( D 3 - - - - - - - - - - - - T - - - - - - ) ] + ( ( C 3 - - - - - - D 3 - - - - - - - - - - - - T - - - - - - ) - - - - - - ( C 3 - - - - - - - - - - - - T - - - - - - ) - - - - - - ( D 3 - - - - - - - - - - - - T - - - - - - ) ] , 在哪里 一个 1 - - - - - - , B 1 - - - - - - , C 3 - - - - - - , D 3 - - - - - - =平均响应因素和交互在指定的水平。通过结合类似条款,( 4)减少 (5) η - - - - - - 选择 = 一个 1 - - - - - - - - - - - - B 1 - - - - - - - - - - - - C 3 - - - - - - - - - - - - D 3 - - - - - - + B 1 - - - - - - C 3 - - - - - - + B 1 - - - - - - D 3 - - - - - - + C 3 - - - - - - D 3 - - - - - - 。

实验的结果证实使用最佳磨损参数和比较预测的磨损率与实际磨损率使用最优穿参数如表所示 6。良好的协议似乎发生在估计和实际磨损率之间。的改善 年代 / N 比从开始到最佳水平为3.74分贝。具体的磨损率降低34.97%。因此,利用田口方法穿性能大大提高。

确认测试特定的磨损率。

初始工艺参数 最优过程参数 改善结果
水平 一个 1 B 1 C 2 D 2 预测 实验
一个 1 B 1 C 3 D 3 一个 1 B 1 C 3 D 3
年代 / N 比(dB) 18.8755 22.3393 22.6135 3.74 dB
特定的磨损率(毫米3/ N-km) 0.113821 0.075656 0.074015 34.97%

4所示。结论

田口稳健设计方法可用于分析聚合物基复合材料的干滑动磨损行为如本文所述。以下是一般的结论,可以从工作。

实验设计方法通过田口方法使我们能够分析成功的磨损行为的复合滑动速度,正常负载,填充内容,滑动距离测试变量。从 年代 / N 比率分析,获得的磨损参数的最佳组合 一个 1 B 1 C 3 D 3 磨损率降到最低。

方差分析结果表明,正常负载因素有着最高的物理以及统计影响(38.67%)的磨损复合材料填充内容(32.70%),紧随其后(11.34%)、滑动距离和滑动速度(9.95%)。然而,这些因素的相互作用不那么重要对磨损率的影响。

确认测试表明可以显著降低磨损率(34.97%)通过使用提出的统计方法。实验结果证实了田口方法的有效性提高穿性能和优化穿在干滑动条件下参数。

本研究在未来,可以扩展学习类似多相聚合物复合材料的磨损行为。

 确认

作者感谢和赞赏扩展到导演和圣约瑟夫工程学院的校长,芒格洛尔在研究他们的支持和鼓励。

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