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行业新闻

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:43

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(PA1010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151,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%70%

03

结果与讨论

摩擦系数和磨损量

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1PA1010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% 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

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。

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PA101040.9%;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PA101011.4%。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。

4 PA1010 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010%20%30%40%50%60%70%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。

 


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