陶瓷晶须填充环氧复合材料的干式滑动磨损性能的优化使用TAGUCHI方法

抽象

本研究评估了独立参数如滑动速度的影响（一种），正常负载（B.)、填料内容(C)，滑动距离(D.用统计方法研究了钛酸钾-晶须增强环氧复合材料的磨损性能。采用真空辅助浇铸技术，用环氧树脂增强PTW，制备了不同成分的晶须增强复合材料。干滑动磨损测试是使用一个标准的针在盘测试设置遵循一个良好的计划的实验计划基于田口的正交阵列。与信噪比(S./N）方差的比率和分析（ANOVA）测定了最小化磨损率的参数的最佳组合。发现包含PTW的含量大大改善了复合材料的耐磨性。发现正常载荷是影响磨损率的最重要因素，然后（C），（D.），和（一种)。各控制参数的交互作用对复合材料的磨损率影响不显著。

1.介绍

聚合物基质复合材料是一类重要的复合材料，在航空航天，汽车，海洋和民用基础设施应用中寻找增加。近年来，由于其自​​润滑性能，较低的摩擦和更好的耐磨性，聚合物复合材料在摩擦学部件中被广泛使用，例如凸轮，制动器，轴承和齿轮。越来越多的聚合物复合材料现在被用作滑动部件，以前由金属材料组成[1那2]。尽管如此，这些材料在其他领域的应用，以及为极端负重和环境温度条件定制性能的开发仍在进行中。目前，陶瓷晶须增强聚合物复合材料的应用正迅速增加。

晶须是短的纤维状单晶，具有很高的完美度和非常大的长径比。由于晶须具有近乎完美的晶体结构，一般具有高强度和高刚度[3.]。因此，晶须被认为是比传统纤维如碳纤维和玻璃纤维更有效的增强材料。近年来各种无机晶须如碳酸钙(CaCO)_3.），氧化铝（Al₂O._3.)、碳化硅(SiC)、钛酸钾(PTW, K₂“透明国际”_6.O.₁₃），钛酸钡（Batio_3.等被制备并用于制造具有不同聚合物基质的复合材料。

一些研究人员观察到不同晶须增强聚合物的机械性能和摩擦学性能发生了显著变化。Feng等人[4.[注意到PTW含量从1％增加到20％时，PTW / PTFE复合材料的磨损率显着降低。林等。[5.]报道了最佳的CaCO含量_3.结合力学性能和摩擦学性能，PEEK复合材料中的晶须为15% - 20%。Zhang等[6.研究了碳化硅和氧化铝晶须增强环氧复合材料的机械性能和磨损性能，发现两种晶须都显著提高了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SiC晶须添加到聚丙烯中会导致模量的提高，但拉伸强度下降。Wang等人[8.[ZnO晶须与尼龙具有比ZnO颗粒更好的增强效果。jang等人。[9.用陶瓷晶须的提出修饰作为用于改善环氧树脂的抗冲击性的橡胶增韧的替代方法。在许多无机填料中，钛酸钾晶须（PTW，K₂O·6 tio₂由于其独特的性能，如出色的机械性能，低硬度（MOHS硬度4），以及优异的化学稳定性，已被发现是耐磨复合材料的有前途的加强件。PTW是一种非常精细的微生物材料，适合加强常规填料无法做的复合材料中的非常窄的空间。在实践中，它是制造具有复杂形状，精度和高抛光表面的产品的优异型。PTW的价格从SIC WHISKERS成本的第十一十分之一到二十分之一10]。在这方面，PTW被用于增强大多数聚合物[11-18]。

实验设计是一种从最少的工作、时间、精力、金钱或其他有限的资源中获得最大数量的决定性信息的技术。这些信息一般包括产品和工艺参数之间的关系以及期望的性能特性[19]。田口的技术是实验设计中使用的有力工具之一。Taguchi的参数设计可以通过设计参数的设置来优化性能特性，降低系统性能对变化源的敏感性[20.那21]。Taguchi的实验程序已成功应用于聚合物复合材料的干滑动磨损研究中的参数评估[22-25]。在公开的文献中，很少有篇论文专注于陶瓷晶须改性热固性复合材料的摩擦学行为。本文讨论了基于Taguchi方法的PTW加固环氧复合材料的干式滑动磨损特性。

2。材料和方法

2.1。材料

亨斯曼先进材料印度PVT提供室温固化环氧树脂系统（LY556 + HY951）。Ltd.，班加罗尔被用作矩阵系统。PTW是一种陶瓷微填充剂，用作钢铁香港杭州大昌奇志有限公司提供的钢筋。这些陶瓷晶须是分裂形状（图1（a））高长/直径比例20-40，表格中列出了属性1。

2.2。复合材料的制作

具有型腔尺寸的开模制备了一种铸型聚合物复合材料。填料被预热到80℃2小时以去除任何水分，然后冷却到环境温度。将所需数量的填料轻轻搅拌成液态环氧树脂，注意避免气泡的引入。然后，将树脂填料混合物置于真空(760 Hg mm)下约2小时，以清除任何滞留的空气。再以1:10的比例将固化剂加入树脂中搅拌，以保证完全混合。然后将混合物倒入涂有脱模剂的开放式金属模具中，将模具放置在钢化玻璃箱内，保持低真空水平400-450 Hg mm约1小时。样品在室温下固化，24小时后从霉菌中释放。得到的铸态复合材料板具有一定的尺寸然后在50℃的高温烘箱中固化2小时。

试样的组成在5％的间隔时变化高达15％的填料载荷。已经采取了极端护理以避免在胶凝阶段之前浇铸浆料，避免任何不希望的填充沉降效果，所有时间都在搅拌条件下保持。这是为了确保跨越其体积的铸造标本的均匀组成。较高的PTW含量意味着更高的粘度。由于处理难度，不制造具有超过15wt％PTW的复合材料。磨损测试样品的大小采用金刚石尖端刀具从铸态复合材料中制备出mm。数字1（b）显示15%环氧树脂填充的SEM图片。可以看出，该填料分布均匀，与环氧基体具有良好的相容性。

2.3。磨损测试

根据ASTM G99-05（REAPEVORVED 2010）标准，在盘试验设置（DUCOM TR201C，BANGALORE）上进行干滑动磨损试验对索盘测试设置（DUCOM TR201C，BANGALORE）进行26]。此测试设置示于图中2。磨损测试样品的大小mm粘在10mm正方形截面和30mm长度的钢销上，并与(EN31等级，62hrc, 1.6)接触μ.Ra)碳钢盘。在测试前，样品在细砂纸(1200 SiC粗砂)上抛光，以确保与台面正确接触。试验参数为正常负荷:10 N、20 N、30 N;滑动速度:0.5 m/s、0.75 m/s、1 m/s;滑动距离:500米、1000米、1500米。然后在电子天平(岛津日本，AY220，精度0.1毫克)上称针和标本。磨损试验前后，试样用丙酮清洗，以清除磨损碎屑。试样的重量损失是衡量滑动磨损损失的指标。体积损失是根据测量的重量损失计算的密度数据的测试样品。具体磨损率()是根据 在哪里是mm的体积损失^3.那载荷是牛顿吗为滑动距离，单位为m。

2.4。实验设计

实验设计是建模和分析控制因素对性能输出影响的有力分析工具。实验设计中最重要的阶段是控制因素的选择[19]。四个参数，即滑动速度,正常加载填充内容、滑动距离每次三个层次，在这项研究中考虑了符合L.₂₇（3.¹³）正交阵列设计。控制参数及其级别在表中显示2。每个三个级别的四个参数都需要运行在全阶乘实验中，而田口的阶乘实验方法将其减少到只有27次，提供了很大的优势。实验计划[23那25]如下：Taguchi正交阵列的第一列被分配给滑动速度，将第二列改为正常加载，第五列为纤维含量，九柱至滑动距离剩下的列被分配到它们的交互作用和实验误差。

实验观察转化为噪声（)的比例。有几个取决于特性类型的比率，可以计算为损耗函数的对数转换。较低的是性能更好的特征比率按 ,““是观察人数和”是观测数据。“越低越好”(LB)的特点比值变换，适用于磨损率的最小化。方差的统计分析(ANOVA)被执行，以确定控制参数是统计显著。与通过比值分析和方差分析，预测出最佳的磨损参数组合以达到可接受的精度水平。最后进行了验证实验，验证了参数设计得到的最优工艺参数[21]。

3.结果与讨论

3.1。磨损率的统计分析

分析是使用Minitab 14的软件进行的[27专门用于实验应用的设计。测试条件与输出结果使用正交矩阵表3.。从表3.的总体平均值磨损率的比例被发现为17.68 dB。数字3（a）和3（b）以图形方式显示控制因素对特定磨损率的影响。处理最高的参数设置比率始终以最小的差异提供最佳质量。图表显示了变化当控制因子的设置从一个水平改变到另一个水平时的比率。越高的磨损率越好响应图中的值。从绘图中，显然因素组合那那,给出最小的特定磨损率。从而得到了滑移速度对复合材料的最小比磨损率和正常的负荷处于最低水平和填充内容和滑动距离在最高的层次。

从图中可以看出，增加控制变量对特定磨损率的影响3（b）。显而易见的是，滑动条件的变化对复合材料的磨损行为有直接影响。滑动速度的增加导致复合材料和钢盘界面处的摩擦作用增加，因此磨损率增加。显而易见的是，磨损率表现出呈现正常负荷的趋势增加和降低。正常载荷的增加通常导致复合材料的热软化并松动基质材料，这增加了磨损率。然而，对基质材料的移位暴露在界面处的陶瓷晶须，并且这些晶须能够通过降低更高负载的磨损率来占据在那里的负载。其他研究人员还报告了具有正常负荷的聚合物复合材料的特定磨损率的这种变化[17那23]。观察到，填料含量和滑动距离的水平的增加会导致磨损率随着填充物含量的影响而降低，这些填充物含量占据了滑动距离对磨损率的效果。包含较硬的陶瓷相，例如PTW导致复合材料的磨损率降低。这是因为PTW更难的相位，而不是环氧基质改善了复合材料的耐磨性。可以理解的是滑动距离增加（操作时间）导致转移膜形成[28，这有助于在更长的滑动时间下降低磨损率。为了确定陶瓷颗粒在聚合物复合材料磨损行为中的作用，Durand等人[29]提出了几种磨损机构，例如在界面处的表面开裂，颗粒脱离，薄和厚的转移层，如在聚合物复合材料的情况下，为基质材料提供有效磨损保护。射线和gnanamoorthy [30.]解释了三种机制，即：（i）矩阵材料损失;（ii）填充磨损;（iii）在界面处的剥离是在填充的聚合物复合材料中操作和一个因子一个，另一个控制复合材料的磨损行为。在本研究中，注意到PTW颗粒在自然界中具有脆性并且与SEM图像显而易见的尖锐边缘，容易撕裂矩阵并逐渐地在滑动方向上对齐。这些颗粒借助于它们的形状，尺寸，脆性和硬度改变复合材料的磨损性能。

该比率响应在表格中给出4.从中可以得出结论，在所有因素中，正常载荷是最重要的因素，然后是填充含量，滑动距离和滑动速度。结果分析导致得出的结论，就磨损率最小化而言，因素那那,有显著的影响。数字4.说明了控制参数的相互作用效果。众所周知，当相互作用图上的线是平行的，当线交叉时，在参数之间发生强烈的相互作用时，不会发生相互作用。31]。图形检验4.在控制参数之间产生小的相互作用。为了证明不显着的因素和微不足道的相互作用进行进一步的统计分析（ANOVA）。

3.2。方差分析及各因素的影响

方差分析是一种统计设计方法，用于打破所有控制因素的个体影响。利用各控制因素的百分比贡献来衡量相应的质量特性的影响。表格5.显示与特定磨损率的方差分析的结果。该分析在5%的显著性水平即95%的置信水平下进行。表的第7列5.表示各因素及交互作用的显著性顺序。从表5.，人们可以观察到正常负载（）具有更大的静态影响38.67％，填料含量（)的影响为32.70%，滑动距离()的影响为11.34%，滑动速度(）对特定磨损率的影响为9.95％。但是，正常负载和填料之间的相互作用（），正常负载和滑动距离（)，最后填充内容和滑动距离()对特定磨损率的贡献不显著。

本分析表明，在环氧/ PTW复合材料的磨损行为中，干式滑动磨损试验参数及其相互作用在突出和物理意义（百分比贡献>误差）。然而，填充物含量与滑动距离之间的相互作用具有统计学意义，但没有任何物理意义[32-34[由于相关联的误差超过了这些相互作用的百分比从ANOVA结果中显而易见。

3.3。确认实验

确认实验是实验过程设计的最后一步。确认实验的目的是验证在分析阶段期间绘制的结论[20.那21]。估计可以根据以下预测方程计算使用最佳参数水平的特定磨损率的比率[21那24那35]： 在哪里=的总体实验平均值比率。的意思是比率在最佳参数水平。主要设计参数的数量显着影响环氧/ PTW复合材料的磨损率。最佳磨损参数的预测方程那那那可以写成吗 在哪里那那,=指定水平因素和互动的平均响应。通过组合类似的术语（4.）减少到

使用最佳磨损参数使用最佳磨损参数的实验确认和使用最佳磨损参数的实际磨损率的比较结果如表所示6.。在估计的磨损率和实际磨损率之间似乎有很好的一致性。的改善从起始电平到最佳电平的比率是3.74 dB。比磨损率降低34.97%。因此，采用田口法可以大大提高材料的磨损性能。

4.结论

Taguchi的鲁棒设计方法可用于分析本文所述的聚合物基质复合材料的干式滑动磨损行为。以下是从工作中汲取的一般性结论。(我)Taguchi方法的实验方法设计使我们能够通过滑动速度，正常负载，填充物含量和滑动距离成功分析复合材料的磨损行为作为测试变量。来自比率分析，获得磨损参数的最佳组合为尽量减少磨损率。(2)方差分析结果表明，正常载荷对复合材料磨损的物理和统计影响最大(38.67%)，其次是填料含量(32.70%)、滑动距离(11.34%)和滑动速度(9.95%)。但这些因素的相互作用对磨损率的影响不显著。（iii）确认测试表明，通过使用所提出的统计技术，可以显着降低磨损率（34.97％）。实验结果证实了Taguchi方法的有效性，用于提高磨损性能，并在干燥滑动条件下优化磨损参数。

将来，可以扩展该研究以了解类似的多相聚合物复合材料的磨损行为。

致谢

作者向曼加拉尔圣约瑟夫工程学院的主任和校长的谢谢和赞赏，在研究研究中进行了支持和鼓励。

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