二氧化硅填料的作用在机械和环氧树指玻璃复合材料的干滑动磨损行为

文摘

力学性能和干滑动磨损行为的玻璃纤维织物增强环氧(g e)复合材料不同重量百分比的二氧化硅(SiO₂)研究了填料在目前的工作。滑动距离的影响,速度,和应用正常负载在干滑动磨损行为一直被视为使用田口的L₉正交数组。添加SiO₂增加了密度、硬度、抗弯、g e复合材料的优势和影响。干滑动磨损测试的结果显示,增加磨损体积和滑动距离的增加,载荷和滑动速度g e和SiO₂g e复合材料。田口方法的结果表明,滑动距离扮演重要角色之后,应用负载、滑动速度、SiO₂装载。磨损表面的扫描电子显微图复合样品在不同的测试参数显示表面光滑,microploughing,细凹槽在低负荷和速度。然而,严重损害矩阵和脱胶纤维的断裂是在高负荷和速度特别是空缺g e复合。

1。介绍

当今行业正经历着不断升级的趋势颗粒和纤维增强聚合物基复合材料的应用。这些应用程序的一些相关机械工程经验表面与周围的环境相互作用以及配对的元素。这样的应用程序要求了解下材料的摩擦学行为的研究。

功能性填料添加到热固性矩阵改善其物理、力学和摩擦学性能。机械的修改,和摩擦学行为的各种聚合物的填充材料显示一个伟大的承诺,因此,这是一个相当大的兴趣的话题。填充材料包括有机、无机和金属微粒在宏观和nanolevels。加入固体润滑剂如石墨、二硫化钼(金属氧化物半导体₂)和聚四氟乙烯(PTFE)为聚合物已被证明有效地降低摩擦系数,但对耐磨性的影响还不是很清楚(1]。

磨损率降低的聚四氟乙烯等聚合物聚苯硫醚(PPS)、聚氯乙烯(PVC), polyarylate (PA)、聚甲醛(POM)和聚酰胺(PA)2]。Bolvari et al。3)报道,聚四氟乙烯填充pp明显降低了聚合物的磨损率。聚四氟乙烯填料的作用在修改纤维增强复合材料的摩擦磨损行为研究也报道说,有一个相当大的减少磨损和芳纶纤维增强尼龙复合材料的摩擦系数。

Suresha et al。4]研究了无机填料的影响碳化硅(SiC)和石墨的穿玻璃织物增强环氧树脂复合材料在干滑动条件下(g e)。更高的磨损体积损失记录了滑动速度和摩擦系数均呈增长趋势与载荷和滑动速度的增加。悉达多等。5)二氧化钛(TiO调查₂)增强环氧功能梯度复合材料。他们得出的结论是,TiO的加法₂粒子到环氧树脂产生了巨大影响抗弯强度、拉伸模量和冲击强度相比,均匀的复合材料。施等。6]研究了填料的影响晶体结构和形状的摩擦磨损性能钛酸钾晶须(K₂“透明国际”₄O₉晶须,K₂“透明国际”₆O₁₃晶须)和TiO₂粒子填充聚四氟乙烯复合材料。他们报告说,基于各种聚四氟乙烯复合材料的摩擦系数是弱依赖填料形状,但他们更强烈依赖于填料的晶体结构。Basavarajappa et al。7]研究了g e复合材料的摩擦磨损行为与碳化硅、石墨颗粒辅助填料。实验计划基于田口实验设计采用以受控的方式获取数据。正交数组和方差分析(方差分析)是用来调查过程的影响参数对这些复合材料的磨损行为。他们得出的结论是,碳化硅、石墨的加入二级填料增加g e复合材料的耐磨性。Akram et al。8]报道了机械的g e与填料的关系,也就是说,氧化铝(Al₂O₃),碳酸钙(CaCO₃)、二氧化硅(SiO₂)、铅(PbO),结合环氧矩阵改善力学性能。他们得出的结论是,PbO作为填充材料为g e PbO(环氧树脂52% + 13% + 35%玻璃纤维)复合材料相比,具有更好的拉伸性能。然而,SiO₂SiO环氧填料添加(52% + 13%₂玻璃纤维+ 35%)显示扭力和硬度性能更好。此外,空缺g e(65%环氧树脂+ 35%玻璃纤维)复合显示良好的能量吸收能力与填料相比,g e复合材料。

整个粘着磨损现象是一个复杂的物质受到不同因素的影响,如材料的属性来互相接触,和服务条件在滑动磨损也发挥自己的作用。全面、整体理解粘附因此呼吁在这个问题上确实有许多研究[9]。然而,大多数研究只调查了一个尺寸磨损损失所涉及的不同因素之间的关系。这样的研究是有价值的、准确、详细,但不能允许任何累积效应的整体评估的因素和他们的交互是外推。鉴于上述情况,最近许多统计方法实现磨损研究[10]。大多数研究研究详细的实验工作,也就是说,一个因素的影响通过保持所有其他因素固定;这种方法是不可取的,因为在实际环境中会有相互作用的粘着磨损影响因素。因此,在这项研究中正在尝试学习效果的主要因素。

为了达到这个目标,一个基于田口实验设计方法。该方法所倡导的田口和Konishi11]。田口方法的技术使用特殊设计的正交阵列研究整个参数空间只有少量的实验。田口方法的技术还有助于优化关键参数(12]。

2。材料和方法

2.1。材料

基体材料选择目前工作是环氧树脂(LAPOX L-12)提供的ATUL印度有限公司玻璃纤维制成的360 g / m²e玻璃纤维的直径约12µm一直作为增强材料的复合材料。SiO₂粒子的平均粒径约10µm作为填充材料。的细节组成材料的性质和不同的复合样品的组成如表所示1和2,分别。复合填料的量一直低于7.5重量百分比因为大量的填料使成型复合标本脆弱和贫困在薄层之间的附着力。

2.2。样品制备

组合板是由传统hand-lay-up其次是压缩成型技术,如图1。制造是由环氧树脂混合测量数量的整洁的一个已知数量的转K6硬化剂(芳香胺),使用低粘度室温固化液体硬化剂在目前的调查。的环氧树脂固化剂比例100:12是维护。上篮之前,聚酯薄膜作为释放剂促进简单的复合固化后板的模具。平纹机织物被削减根据所需的大小(500毫米×500毫米),如图1(a),然后浸入树脂混合织物。辊是用来涂抹树脂混合灌注面料(图1(b))。足够的护理是采取在上篮,以确保统一的样品因为面料倾向于丛和纠结在一起。八层的面料是用来获得约3毫米厚度的层压制品。图1(c)显示手糊法的基本过程。浸渍和干燥的过程包括12 h 2 h在100°C压塑法如图紧随其后1(d) 120°C的温度和压力为7.35 MPa。所有复合样品有无颗粒填料所使用的相同的技术。填料混合彻底在前的环氧树脂玻璃纤维垫被堆放在上篮颗粒填充复合材料。标本的合适尺寸按ASTM标准减少了物理,力学和摩擦学特性。

2.3。机械特性

复合材料的密度取决于使用高精度梅特勒,托莱多机模型AX 205使用Archimede的原则。肖氏硬度复合样品也使用Shore-D硬度计测量(时间组,Shore-D硬度计TH210)。在不同的点被四个读数,平均值被报道。

高分子材料的拉伸测试通常是进行平面,根据ASTM D638-10狗骨头状标本与几何。组合利用的力学性能进行了研究使用万能试验机(Shimandsu和能力生产的50 kN)楔钳由气动nonshift楔钳。十字头的拉伸试验进行5毫米/分钟的速度,和应变(毫米/毫米)计算除以十字头位移(mm)的计量长度(mm)。五个样本检测每个组成的复合材料。采用三点弯曲技术为挠曲测试按照ASTM-D790标准复合材料。冲击强度是决定使用悬臂梁式冲击试验机摆类型(PSI,印度)按ASTM-D256规范。

2.4。摩擦学的表征

干滑动磨损测试使用pin-on-disk执行设备,符合ASTM标准可以与电子数据采集系统。滑动进行了测试在不同操作参数如表所示3。滑动测试中断定期质量损失测量精度为0.1毫克。

质量损失转化为体积亏损策划磨损数据使用密度计算值的基础上组成。摩擦力用应变式测量安装在specimen-loading手臂。至少三个测试进行了每组的操作条件,以确保一致的测试结果,在8%的变异。

2.5。田口实验设计的技术

目前的研究包括3个层次4操作参数如表所示4。基于这些实验条件,田口方法(3⁴)正交阵列应用于本研究。表4显示操作参数的组合选择的根据正交数组。有四个参数和三个层次,完全析因实验需要运行,而田口的因子试验方法降低了九个试验的要求。

3所示。结果与讨论

3.1。填料对力学性能的影响

3.1.1。密度

密度的实验值见图2。它可以观察到,SiO₂填料的密度增加了g e复合材料与未交货的。这是由于这样的事实:高密度SiO₂在g e g e复合的密度增加。

3.1.2。硬度

空缺的硬度值和SiO₂g e复合材料如图3。可以看出Shore-D SiO硬度较高₂了g e复合材料相比的空缺g e样本。此外,发现硬度随着填料的增加负荷增加。SiO的增加₂加载导致脆性增加的复合,因此硬度。颗粒填充g e复合材料有足够的表面硬度是对在职划痕,可以妥协疲劳强度并导致过早失效。因此,一个压痕载荷作用下,微粒将进行弹性而不是塑性变形,而空缺g e复合材料。公司的改善硬度填料可以解释如下:压缩力的作用下,热固性矩阵阶段和脆性纤维和填料阶段将压在一起,互相联系,并提供阻力。因此界面可以更有效地传输负载虽然界面债券可能很穷。这导致增强SiO的硬度₂g e复合材料。

3.1.3。抗拉强度

拉伸试验数据见图4和5。测试数据表明,边际降低复合材料的抗拉强度,增加SiO₂填充加载。一般来说,颗粒填料增加刚度和降低抗拉强度取决于填料的类型用于复合材料的制造。一些填充物显示提高拉伸强度和拉伸模量g e复合材料。然而,在目前的情况下,SiO₂填料降低了抗拉强度,增加了g e复合材料的刚度。

3.1.4。抗弯强度

弯曲测试数据见图6。它可以观察到,SiO挠曲强度值增加而增加₂在g e复合填充内容。这可以归因于提高粘附在各个阶段如玻璃纤维、SiO₂填充剂和环氧矩阵。

3.1.5。冲击强度

冲击强度的空缺和SiO₂g e复合材料如图7。试验结果表明,在冲击强度SiO增加的趋势₂装载。这是由于SiO的均匀分散₂填料在g e复合加载。

3.2。显微镜观察的分析

数据8(一),8(b),9(一),9(b)显示的断裂表面的扫描电子显微图g e和SiO₂分别了g e复合材料。

断口的显微照片显示,由于层间分层复合样品以及由于fiber-pullout(图8(a))。对于g e示例,断裂延脆,这可能是由于塑性变形后的矩阵fiber-matrix脱胶(图8(b))。也明显的纤维在断裂表面干净。等重要的复合材料失效机制fiber-matrix脱胶(标记为“a”),纤维断裂(标记为“b”)和内聚树脂断裂(标记为“c”)也可以观察到的显微照片(图8(b))。一般来说,矩阵骨折发现启动表面的纤维的河的方向线(由箭头标记)并传播到树脂两侧,在裂纹扩展同时从邻近纤维的表面。

SiO SEM表征₂g e表面显示骨折(图9(一)和9(b)(纤维以及SiO更好的依从性₂粒子矩阵(图9(b)),这是一个定性表明更大的界面强度。Dis-orientation横向纤维、纤维桥接、纤维(图9(一))和正常的纵向纤维的断裂,开裂(图矩阵的碎片,矩阵9(b))也可以被观察到的显微图。报告的改善复合材料的力学性能测试方面主要是由于增强纤维之间的粘附或界面交互、矩阵、SiO₂填料。

3.3。摩擦学的行为

3.3.1。填料含量对摩擦磨损的影响特征

与SiO g e复合材料准备₂内容5 wt。wt %和7.5。%,g e和摩擦学行为的综合研究来评估SiO的影响₂和比较空缺g e复合材料。图10显示了不同的复合材料的干滑动磨损体积损失在本研究中使用的测试条件。从测试结果可以观察到样品的磨损体积损失随填料装载的增加。

特定的SiO磨损率₂填充复合研究对SiO g e₂加载(图11)。在正常负载60 N和滑动速度的3.14 m / s, g e的具体磨损率毫米³/ Nm。具体添加SiO磨损率降低₂。它减少值毫米³/ Nm和毫米³SiO / Nm₂5和7.5 wt的加载。分别为%。磨损与添加SiO损失显著降低₂相比空缺g e复合材料。硬粒子像TiO的合并₂、SiO₂ZrO,原文如此,艾尔₂O₃聚合物基质导致更好的增强耐磨性(13- - - - - -15]。

耐磨性的提高是由于细SiO的存在₂(10µm)粒子均匀分散在环氧矩阵。SiO₂粒子分散在环氧树脂作为屏障,也防止大规模的环氧树脂基体的碎片。

这种行为显然是观察磨损表面图片(数据13和14)。穿的空缺g e似乎略高一些材料撤军。钢的表面微凸体反脸轻松去除软聚合物基质材料通过削减行动。SiO的磨损表面₂g e光滑和细和不注意到材料撤军。SiO₂粒子也作为次级强化,承担负荷,降低磨损率。硬度的贡献也起着至关重要的作用在耐磨性提高报道其他地方(13- - - - - -15]。

SiO的摩擦力₂了g e复合材料进行了研究并与空缺g e,和数据在图所示12。摩擦力的空缺g e是4 N和滑动距离的增加而增加。然而,它增加SiO之外₂4.2 N的值和SiO 5.8 N₂5和7.5 wt的加载。分别为%。摩擦力的空缺g e SiO相比要好得多₂g e复合材料。在利用,增加与SiO增加摩擦力₂加载是由于更大的粒子大小和不规则形状。在滑动接触表面产生的摩擦力会拿出SiO₂随着磨屑颗粒。这些退出粒子保持表面的样本可能会作为第三体的直接接触,避免与计数器样本表面导致增加摩擦力。

3.3.2。磨损表面形貌

图13表明纤维断裂、微裂隙、定向障碍的纤维和高损伤矩阵相比,纤维。图14表明高损伤矩阵、少纤维刀具磨损。环氧矩阵和更高的碎片形成的微裂缝SiO组成₂和破碎的纤维也可以观察到。

3.3.3。负载的影响复合材料的质量损失

图15显示了典型的变化与正常负载磨损损失。有一个增加的趋势随着负载的增加,磨损损失原因显而易见。类似的趋势已经在不同的操作条件下观察到的。

3.3.4。特定的磨损率

图16表明下降趋势的具体磨损率与正常负载增加。这可以归因于平整的表面微凸体在高负载,从而增加滑动表面之间的接触面积。增加接触面积会导致降低接触压力,导致磨损率的减少。类似的趋势已经在不同的操作条件下观察到的。

3.3.5。滑动速度对特定的磨损率的影响

图17代表特定的磨损率与滑动速度的变化。观察到特定的磨损率与滑动速度的增加减少,这可以归因于转移膜的形成在柜台上的身体,由于温度较高的滑动速度增加。会导致磨损率下降形成转移膜滑动速度更高。类似的趋势已经在不同的操作条件下观察到的。

3.4。由田口法分析磨损

参数影响复合试样的干滑动磨损行为已经决定采用田口方法。实验都是按标准进行L₉使用3水平正交数组,每个4操作参数,即填料含量、载荷、滑动速度、滑动距离。正交阵列以及输出参数的细节,也就是说,质量损失,如表所示5。

不同操作参数对磨损的影响损失评估是基于S / N比率,显示在图18。

为了证实操作参数的意义,也就是说,填充内容,载荷、滑动速度、滑动距离,方差分析(方差分析)在实验数据上执行。方差分析可以分析每个变量的总方差的影响结果。表6结果显示,穿测试样本的方差分析。分析了置信水平为95%。从表6很明显,滑动距离跟着负载中起着重要作用,速度和填充材料的百分比。

4所示。结论

增加使用聚合物复合材料的摩擦学的应用程序需要调查研究这些材料在不同操作条件下的行为。目前调查SiO的影响进行了研究₂填料在机械和g e复合材料的干滑动磨损行为。可以得出下面的结论基于调查的结果。(1)SiO的加法₂填充材料导致增加力学性能如密度、硬度、抗弯强度、冲击强度的复合结构。(2)滑动磨损测试的结果表明增加磨损体积与滑动距离的增加,载荷和滑动速度。(3)的SiO₂填充材料发现减少磨损体积和特定的不同复合材料的磨损率。SiO比例的增加₂填料已导致更好的滑动耐磨性由于更好的复合材料的力学性能。(4)田口方法的测试数据表明,滑动距离跟着负载中起着重要作用,滑动速度和填充内容。(5)微观分析磨损表面不同的复合样品在不同操作参数表明,表面光滑,microploughing低负荷和速度,而严重损害的矩阵剥离和纤维断裂在高负载和速度。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

引用

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