硅灰石填充尼龙复合材料摩擦磨损性能（利用硅灰石制作高强度尼龙）

作者： tom123 时间：2022-07-14 10:59:32 阅读：92

聚合物及其复合材料在实际工程中越来越多的作为机械零件使用，对有相对运动和承力场合而言，要求材料的耐磨性和力学性能也日渐提高，制备减摩耐磨性良好的聚合物及其复合材料也日益受到重视。有相对运动的零件的接触表面在力的作用下，必然有摩擦，从而造成磨损。材料的摩擦学性能必然要受到力学性能的影响，弄清两者之间的关联性有助于聚合物及其复合材料的结构设计、配方设计和制备工艺设计，从而满足使用要求和提高使用质量。

尼龙（PA）1010作为我国特有的工程塑料，有很多优异的性能而被广泛应用，作为齿轮、轴承等受力且有相对运动机械零件材料使用时，要求其具有优良的耐磨性。

本文探讨了硅灰石的填充量对PA1010的挤出和注塑工艺、力学性能和热性能的影响。

01

试验原料

PA1010：熔点205℃

硅烷偶联剂：KH-550

硅灰石：长径比小于15：1，长度约20μm

02

试样制备

硅灰石经硅烷偶联剂改性后，与PA1010按一定量在高速捏合机中混匀，然后熔融挤出制备硅灰石填充PA1010复合材料[8]，根据性能测试要求注射成型试样。复合材料中硅灰石的质量分数分别为10%，20%，30%，40%，50%，60%和70%。

03

结果与讨论

摩擦系数和磨损量

图1为PA1010及其复合材料的摩擦系数随着时间的变化曲线。纯PA1010的摩擦系数最大，波动也较大，达到摩擦稳定的时间较长，即跑和时间（摩擦开始到摩擦稳定的时间）较长。随着硅灰石的加入，摩擦系数不断减小，且很快地进入摩擦稳定期。

a—硅灰石质量分数为0%，10%，20%，30% 的PA1010／硅灰石复合材料；

b—硅灰石质量分数为0%，40%，50%，60%，70% PA1010／硅灰石复合材料

图1 不同硅灰石含量的PA1010／硅灰石复合材料摩擦系数随时间的变化曲线

由图1 得到的各试样的摩擦系数与硅灰石含量的关系曲线如图2所示。随硅灰石含量的增加摩擦系数逐渐降低，纯PA1010的摩擦系数为0.53，硅灰石质量分数由10%增加到70%，摩擦系数几乎呈线性下降，当硅灰石质量分数为70%时，复合材料的摩擦系数降到了0.29，只有纯PA1010摩擦系数的54.7%，这说明硅灰石的加入大幅度降低了PA1010的摩擦系数，明显改善了PA1010 的耐磨性能。

图3示出了体积磨损量与硅灰石含量的关系曲线。PA1010／硅灰石复合材料的体积磨损量随硅灰石含量的增加而减小，纯PA1010的体积磨损量为1.76mm3，当硅灰石质量分数为10%时，磨损量只有0.72mm3，只有纯PA1010的40.9%；而当硅灰石质量分数为70%时，PA1010／硅灰石复合材料磨损量最小，为0.20mm3，仅为纯PA1010的11.4%。所以硅灰石的加入可大幅改善PA1010的耐磨性。

摩擦磨损机理分析

通过磨损表面的形貌分析磨损机理，可为材料的改性方法提供理论依据。采用SEM观察了纯PA1010及其PA1010／硅灰石复合材料的摩擦表面，其照片如图4 所示。

图4 纯PA1010 及PA1010／硅灰石复合材料的摩擦面的SEM照片

由图4a可看出，纯PA1010的磨损表面受损严重，凹凸不平，存在着明显的粘着和熔融现象，明显存在有胶合后的撕裂痕迹。这说明PA1010在摩擦过程中主要存在粘着磨损和疲劳磨损。随着摩擦时间的延长，摩擦面间开始产生摩擦热，并且随着摩擦的进行，摩擦接触面处温度不断升高，当温度升高到接近PA1010熔融温度时，试样开始有熔化现象，产生熔体流动，从而使摩擦球与PA1010之间粘着在一起，粘着点在往复摩擦的过程中被进一步撕裂，加剧粘着磨损现象。摩擦面接触处的PA1010基体所受应力达到受压屈服极限时，试样发生形变，使得试样受力增大，最终PA1010基体产生应力开裂而进一步出现疲劳磨损。

由图4b和图4c可看出，加入硅灰石的复合材料的摩擦磨损表面较为平整光滑，硅灰石含量越高，复合材料的磨损面越平整，图4c中基本上只观察到较为轻微的犁沟现象。无机刚性硅灰石的加入增大了复合材料的承载力，耐磨性增强，这也与摩擦系数和磨损量的降低结果相符合。

摩擦磨损性能与力学性能的关系

前面已分析，随硅灰石含量的增加，摩擦系数和磨损量逐渐降低，由前期工作可知，PA1010／硅灰石复合材料的拉伸弹性模量也明显提高。图5示出了硅灰石质量分数分别为0，10%，20%，30%，40%，50%，60%，70%的PA1010／硅灰石复合材料摩擦系数和磨损量与拉伸弹性模量的关系曲线。拉伸弹性模量越大，摩擦系数和磨损量越低。拉伸弹性模量表征了材料的硬度，拉伸弹性模量越大，材料越硬，摩擦面不易受损，耐磨性越好。

结论

（1）硅灰石的加入，显著降低了PA1010与钢材间的摩擦系数和磨损量，到达摩擦稳定的时间缩短。

（2）纯PA1010主要为粘着磨损和疲劳磨损，并伴随着少量的磨粒磨损，随硅灰石的加入磨损减轻，当硅灰石的质量分数为70% 时只有轻微的犁沟现象。

（3）硅灰石含量越多，复合材料的拉伸弹性模量越大，热变形温度越高，摩擦系数和磨损量越低，复合材料的耐磨性越好。