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关于影响人造草坪耐磨性要点剖析(二)

2011-01-05 16:06:10  来源:人造草坪耐磨性  字号:【    】  浏览:3216

2.2.2不同种类纤维填充高分子材料的性能
        作为高分子材料的增强体,一般要求纤维有很高的强度和模量,不与基体反应且能与基体形成良好的界面,作为耐磨材料还要求纤维有高的耐磨性和硬度。研究较多的主要集中在玻璃纤维,碳纤维和芳纶(Kevlar)纤维等。早在六,七十年代,科学家就发现碳纤维填充可提高高分子材料的导热性能和抗热变形能力,相应的使材料的磨损率降低。Sung等[13]比较了Kevlar-49和石墨填充环氧树脂复合材料的磨损性能,发现Kevlar纤维能使环氧的磨损率降低到和石墨填充环氧相同的水平,且能获得更低的摩擦系数。Cirino等[14]研究的结果表明,碳纤维填充高分子材料可获得比玻璃纤维填充更低的磨损率和摩擦系数,认为有两个原因,一是因为碳纤维可以起到界面润滑的作用,另一方面,玻璃纤维的断裂和拔出会造成比较严重的磨粒磨损。Wishwanath等[15]以聚乙烯基丁酯改性酚醛树脂为基体,研究了玻璃纤维,高强碳纤维和Kevlar-49三种纤维在不同摩擦条件下对材料的增强作用。随着摩擦速率的上升,复合材料的温度也随之上升,造成基体材料的软化甚至炭化,使纤维和基体的界面松动,在摩擦力作用下,发生纤维的断裂和脱落。在这两种作用下,复合材料的结构完整性被破坏。对玻璃纤维填充酚醛树脂这种破坏发生在摩擦速率12.94 m/s时,而对于碳纤维和Kevlar纤维填充的情况,这种破坏则发生在摩擦速率17.8 m/s。对摩擦面的形貌分析发现,玻璃纤维增强复合材料的表面粗糙度从磨损前的0.13微米上升到磨损后的0.26微米,而碳纤维和Kevlar纤维填充的情况其表面粗糙度分别为0.17和0.11微米。相应的磨损率的关系也是Kevlar<碳纤维<玻璃纤维,电镜对磨损面的观察解释了三种纤维增强的不同机理。在碳纤维和玻璃纤维填充的情况下,摩擦表面都可以观察到很多断裂的颗粒和纤维,而在Kevlar纤维填充复合材料的磨损面很少。说明韧性的Kevlar纤维能够更有效的抵抗摩擦过程的剪切力,而同时磨掉的颗粒也不像玻璃纤维和碳纤维那样容易形成严重的磨粒磨损。对摩擦系数的研究得到了相反的结果,玻璃纤维和碳纤维填充材料的摩擦系数比Kevlar纤维填充材料更低,其原因可能是断裂和脱落的纤维因表面光滑且硬而在摩擦面之间起到滚轴的作用,从而使摩擦系数降低。
2.2.3纤维排列方向对磨损性能的影响
        连续纤维在高分子基体中的排列,相对于摩擦运动的方向有三种排列方式[16],一种是平行于摩擦运动的方向(P),一种是平行于摩擦面但垂直于摩擦运动方向(AP),另外一种是垂直于摩擦面(N)。对于双向编织纤维,存在四种摩擦方式,分别是:平行于摩擦面且平行于纤维排列方向(P),平行于摩擦面的垂直排列(AP),垂直于摩擦面的平行排列(NP)以及垂直于摩擦面且垂直于摩擦方向(NAP)。
        Friedrich等[17]在石墨纤维填充PEEK的磨损性能的研究中详尽地阐述了各种排列方式对材料磨损性能的影响及其不同的机理。在所有的排列方式下,复合材料的磨损率都随PV值和摩擦温度的上升而增加。在相同的摩擦条件下,P方向的材料的磨损率最低,而AP方向上得到最高的磨损率,甚至超过未填充PEEK, N方向的磨损率介于两者之间,但比纯PEEK的磨损率低。摩擦系数则基本不受PV值和摩擦温度的影响,同时,三种排列方式下得到的摩擦系数都高于纯PEEK。根据材料的不同性能,Friedrich等提出不同方向的磨损机理,认为在三种排列方式下都是纤维起主要承载作用,因此,对于P方向,裂纹和断裂都是在垂直滑动的方向发展,因此是不连续的,故裂纹之间的距离较大,并不容易造成纤维的脱落,在N方向时,纤维增强了材料,减小了界面的剪切作用,使磨损率降低,但同时应力集中作用于纤维末端,造成界面层下纤维的断裂和拔出,成为主要的磨损方式。
        对于编织纤维增强的复合材料,其磨损率可以降低到单向纤维增强材料的1/6,摩擦系数也相应的有所降低。同时,编织纤维增强复合材料的磨损性能表现出较明显的各向同性,在各磨损面的磨损率相差不大,通过对磨损面的观察,表明编织纤维综合了单向纤维在各方向的作用,使耐磨性大大提高。
2.3 无机颗粒填料增强高分子材料的磨损性能
        目前人们对无机化合物填充聚合物基复合材料的研究比较多,这类填料包括的种类较多,如氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷、金属碳酸盐、硫化物、晶须等无机化合物填料对聚合物摩擦学性能的影响。
        在高分子材料中添加无机颗粒也是常用的改性方法,无机颗粒的加入可以起到降低成本、提高力学性能、增加热稳定性等作用。同时,硬质无机粒子在高分子材料中可以起到支撑作用。纳米级的添加剂不但可以在摩擦表面成膜,降低摩擦因数,而且可以对摩擦表面进行一定程度的填补和修复,起到抗磨作用。因此,通过填充无机颗粒来提高高分子材料的摩擦磨损性能也成为研究的热点。

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