聚酰胺樹脂，又名尼龍，是業(yè)界公認(rèn)耐磨性比較好的特性塑料，工業(yè)上將尼龍樹脂與碳纖維組合在一起，可以制備出強(qiáng)度、剛度、熱穩(wěn)定性和摩擦性能都非常出色的CF/PA復(fù)合材料?，F(xiàn)實(shí)中，CF/PA復(fù)合材料已經(jīng)有了一定的應(yīng)用方向，比如航空航天、汽車制造等行業(yè)。本文中，智上新材料將結(jié)合專業(yè)論文數(shù)據(jù)，介紹CF/PA復(fù)合材料在耐磨性方面的性能優(yōu)勢，根據(jù)論文觀點(diǎn)找出耐摩擦效果更好的碳纖維和尼龍?bào)w積占比。
　　
 
　　實(shí)測不同載荷力和滑動頻率下CF/PA復(fù)合材料的耐磨效果
　　
　　選擇室溫環(huán)境下，保持濕度在30~45%，選用純PA樹脂試樣和不同碳纖維體積占比（10vol%、20vol%和30vol%）的CF/PA試樣。對所有試樣進(jìn)行表面拋光處理，再用丙酮超聲清洗，測試前再進(jìn)行干燥處理。測試中，設(shè)定測試儀器往復(fù)摩擦距離5mm，載荷力范圍0~16N，摩擦頻率范圍0~12Hz，測試不同條件下的摩擦系數(shù)、摩擦損傷體積，推導(dǎo)出合理的摩擦損傷模式。
　　
　　CF/PA復(fù)合材料的耐磨性能實(shí)測結(jié)果
　　
 
　　1、9N載荷力和4Hz摩擦頻率下的摩擦系數(shù)數(shù)據(jù)：在9N載荷力和4Hz摩擦頻率條件下，記錄1600s滑動時間內(nèi)的數(shù)值。發(fā)現(xiàn)純PA試樣的摩擦系數(shù)隨著時間增加而迅速增大；20和30vol%的CF/PA復(fù)合材料試樣的摩擦系數(shù)呈現(xiàn)拋物線形狀，隨時間增加而增大；10vol%的CF/PA試樣摩擦系數(shù)隨時間增加先增大，然后下降到穩(wěn)定狀態(tài)，隨后又突然增大。
　　
 
　　2、不同摩擦頻率和載荷力下的摩擦系數(shù)數(shù)據(jù)：在相同的往復(fù)滑動頻率4Hz下，純PA試樣和不同體積占比的CF/PA試樣的摩擦系數(shù)隨著載荷的增加而增加；在相同的載荷力9N下，純PA試樣和不同體積占比的CF/PA試樣的摩擦系數(shù)隨著摩擦頻率的提升而減小。
　　
 
　　對比純PA試樣，加入碳纖維后的CF/PA試樣的摩擦系數(shù)整體所有降低，其中20vol%CF/PA復(fù)合材料試樣的摩擦系數(shù)最低。碳纖維的本質(zhì)是碳原子，與石墨相同，碳纖維可以分解成石墨晶體，自身具備較好的潤滑性。摩擦頻率提升，碳纖維分解的石墨晶體增加，形成潤滑膜薄層，導(dǎo)致摩擦系數(shù)降低；而載荷力的提升會導(dǎo)致摩擦過程中復(fù)合材料的局部溫度上升，引發(fā)的粘附效應(yīng)會增加摩擦系數(shù)。
　　
 
　　3、4Hz摩擦頻率和不同載荷力下的摩擦損傷體積數(shù)據(jù)：以4Hz為基礎(chǔ)，發(fā)現(xiàn)純PA試樣和不同體積占比CF/PA試樣的摩擦損傷體積隨著載荷力的提升而增大，但增大的頻率存在一定差異。10和20vol%占比的CF/PA試樣的提升緩步提升，而30vol%占比的試樣在9~15N載荷力范圍內(nèi)突然大幅提升。另外對比純PA試樣和不同體積占比的CF/PA試樣，20vol%體積占比的試樣摩擦損傷體積最小，純PA試樣最大。
　　
 
　　4、9N載荷力和不同摩擦頻率下的摩擦損傷體積數(shù)據(jù)：以9N載荷力為基礎(chǔ)，發(fā)現(xiàn)純PA試樣和不同體積占比CF/PA試樣的摩擦損傷體積同樣隨著摩擦頻率的提升而增大，增大的頻率幾乎相同，無明顯差異。對比不同體積占比的CF/PA試樣，20vol%體積占比的試樣摩擦損傷體積最小，而純PA試樣最大。
　　
 
　　5、摩擦損傷表面電鏡掃描結(jié)果顯示：純PA試樣（圖a）有明顯微裂紋和剝離，CF/PA試樣（圖b、c和d）這種情況較少，甚至沒有，說明碳纖維的加入，顯著的降低了摩擦磨損的可能性。10vol%體積占比的CF/PA6試樣（圖b）在纖維和樹脂的薄弱點(diǎn)有微裂紋，說明低含量的碳纖維的耐磨性較弱；而20 vol%體積占比的CF/PA6試樣（圖6c），摩擦磨損較少，碳纖維有效支撐了載荷力，防止碳纖維和樹脂的剝離；30vol%體積占比的CF/PA試樣（圖d）基體有一個垂直于滑動方向的大裂紋，這是鄰近填料分離后形成的。
　　
 
　　通過對比測試發(fā)現(xiàn)，碳纖維的引入，對于尼龍樹脂來說，可以強(qiáng)化整體的耐磨性能，減少摩擦損傷體積，另外在碳纖維20vol%體積占比下整體的摩擦性能的下降效果更好。通過各項(xiàng)數(shù)據(jù)對比，發(fā)現(xiàn)載荷力和摩擦頻率對摩擦性能的影響剛好相反，而粘附和塑性變形是導(dǎo)致摩擦損傷的主要機(jī)制。通過深入研究，發(fā)掘性能的本質(zhì)，才是打開熱塑性碳纖維走向究極應(yīng)用大門的鑰匙，智上新材料將于更多的同行一起進(jìn)步。
 
　　本文涉及論文來源：https://doi.org/10.1177/0892705708103397