摘　要：采用模塑成型法制備氰酸酯樹脂(CE)／納米碳化硅(nm－SiC)復合材料，通過磨損率和摩擦系數測試探討了nm－SiC對CE耐磨性能的影響，并通過掃描電子顯微鏡(SEM)分析探討了其磨損機理。結果表明，nm－SiC的質量分數為1.00％時，CE／nm－SiC復合材料的磨損率低，相對于純CE降低了51.16％，穩定摩擦系數降低了17.95％，磨損機理為輕度磨粒磨損和犁溝磨損。
關鍵詞：氰酸酯樹脂；納米碳化硅；磨損率；摩擦系數；磨損機理

0　引　言

　　聚合物耐磨性能一直是摩擦學研究的1個重要領域。氰酸酯樹脂屬于一類具有結構和功能相結合的熱固性樹脂，目前研究多是雙酚A型氰酸酯樹脂(簡稱CE)。CE具有密度小、強度高、耐熱性優良、摩擦系數小、易加工等優點。為了滿足各種情況下應用的需要，人們對氰酸酯樹脂及其復合材料進行了許多開發，許多無機納米粒子如nm―SiO₂、nm－SiC、nm―TiO₂等常被用作改性填料，但本文主要集中在nm－SiC改性CE方面。值得注意的是，這種無機納米粒子屬于剛性填料，其特性除對聚合物基復合材料的力學性能、熱學性能、介電性能等有較大影響外，還不同程度地影響到其摩擦性能。因此，我們在前期工作的基礎上，進一步研究了nm－SiC對氰酸酯樹脂摩擦系數和磨損率的影響，并通過SEM分析探討了其磨損機理。

1　實驗部分

1.1　原材料
　　雙酚A型氰酸酯(CE)，白色顆粒，工業品，熔點74℃，純度98.2％，航空工業濟南特種結構研究所，實驗前在40℃／500 mmHg下抽真空4 h，除去吸附的水分及小分子雜質，密封備用；nm－SiC，粒徑40～60 nm，灰綠色超細粉末，合肥開爾納米發展有限公司，實驗前在120℃烘箱中烘干3 h，氣流粉碎，密封備用；其他試劑均為分析純，市售。
1.2　儀器及設備
　　超聲波分散器，KQ－300DE型，昆山市超聲儀器有限公司。鼓風干燥箱：101A－1型，上海市實驗儀器總廠。恒溫真空干燥箱，DZF－6050A型，北京中興偉業儀器有限公司。均質機，FJ－200型，上海分析儀器廠。摩擦磨損試驗機，MM－2000型，濟南試驗機廠。掃描電子顯微鏡(SEM)，Quanta200型，美國Fei公司。
1.3　CE／nm－SiC復合材料的制備
　　將雙酚A型氰酸酯油浴加熱熔融，按質量分數加入定量預處理過的nm－SiC，在不斷攪拌下升溫至80℃，先用均質機高速攪拌1 min，隨后緩慢勻速攪拌10 min，注入預熱過的模具中，然后連同模具一起放入恒溫真空干燥箱中，保持溫度(80±1)℃，抽真空至無氣泡逸出，按照工藝80℃／1 h+100℃／1 h+120℃／1 h+150℃／1 h+180℃／1 h+200℃／2 h進行固化處理和220℃／3 h后固化處理，自然冷卻至室溫后，按要求加工成試樣板材，制得(b)CE／nm－SiC復合材料。同法制取純CE試樣(a)純CE，作比較用。
1.4　性能測試與袁征
　　在MM－2000摩擦磨損實驗機上測試材料試樣的磨損率和穩定摩擦系數，試樣和對偶件用600^#金相砂紙打磨，經丙酮超聲清洗并晾干，摩擦對偶件為AISI1045鋼環。實驗條件：大氣氛圍，室溫(25±2)℃，空氣相對濕度40％～45％，載荷(F)200N，對偶環轉速200 r／min，摩擦時間120 min。通過測定摩擦力矩計算摩擦系數，數值由試驗機配置的計算機直接采集，穩定摩擦系數取值為達到穩定磨損狀態后60 min內的平均值。采用精度為0.01 mg電子天平測量試樣的摩擦質量耗損△m(g)，并由測得的材料密度ρ(g／cm³)和摩擦滑動行程L(m)，計算磨損率ω(mm³／N?m)。

　　用Quanta200掃描電子顯微鏡觀察對偶鋼環表面的轉移膜和磨損表面的形貌特征，分析其磨損機理。掃描條件：摩擦表面經噴金處理，掃描加速電壓20 kV。

2　結果與討論

2.1　nm－SiC對復合材料耐磨性的影響
　　nm－SiC含量對復合材料磨損率的影響見圖1。

　　可以看出，隨著nm－SiC質量分數的增加，CE／nm－SiC復合材料的磨損率呈現凹峰形狀變化，當nm－SiC質量分數為1.0％時，復合材料的磨損率達到了低值。在氰酸酯基納米復合材料中，nm－SiC填料發揮耐磨作用的前提是，在摩擦過程中能夠以一定比例的粒子出現在摩擦接觸面上。nm－SiC填料作為一種特殊的剛性粒子，隨著質量分數的增加，在復合材料摩擦接觸面上參與應力承載的粒子數量也隨之增加，因此其磨損率也隨之減小。但是，當nm－SiC質量分數超過1.0％后，由于粒子之間界面作用不斷加強，致使其團聚現象進一步增加，從而使其均勻分散性受到一定影響，其磨損率反而會隨之增加。從測試數據來看，純CE的磨損率為4.73×10^-6 mm³／N?m，CE／1.0％nm－SiC復合材料的磨損率為2.31×10^-6 mm³／N?m，比純CE的磨損率降低了51.16％。由此可見，適量nm－SiC可極大提高CE的耐磨性，1.0％nm－SiC時的改性效果好。
　　為純CE及其1.0％nm－SiC時復合材料的摩擦系數隨著磨損時間的變化見圖2。

　　可以看出，純CE的摩擦系數隨磨揖時間的變化規律與CE／1.0％nm－SiC復合材料的變化規律具有相似性，即摩擦系數在摩擦初期先急劇升高然后迅速下降，大約35 min后隨著磨損時間的延長逐漸趨于平穩變化。但從平穩后的變化形態來看，卻有顯著差異，CE／1.0％nm－SiC復合材料摩擦系數的變化明顯低于純CE的摩擦系數。從測試數據來看，相對純CE的穩定摩擦系數0.39，CE／1.0％nm－SiC復合材料的的穩定摩擦系數為0.32，相對下降率17.95％。由此可見，nm－SiC在極大降低CE磨損率的同時，也能夠有效地降低其摩擦系數。
2.2　磨損機理分析
　　純CE及其1.0％nm－SiC時復合材料對摩環表面上轉移膜的SEM圖片見圖3。

　　在聚合物摩擦過程中，對偶件表面轉移膜的形態和厚度對摩擦學行為起著決定性作用。越薄、越均勻、越致密、越光滑的連續轉移膜，越不容易脫落，可以有效地將鋼環表面同摩擦面隔開，使摩擦運動發生在轉移膜與磨面之間，起到很好的減摩耐磨作用。比較圖3(a，b)可以看出，純CE對摩環表面上的轉移膜很厚，磨痕粗糙無規則；而CE／1.0％nm－SiC復合材料對摩環表面上的轉移膜相對較薄，磨痕間距變小有一定規律性，且無大塊磨脫現象，說明材料表面承載的粒子半徑變小，這可從磨痕寬度上明顯看出。所以，從轉移膜的薄厚變化和形態特征來看，nm－SiC的引入使CE／1.0％nm－SiC復合材料的耐磨性要明顯優于純CE。　
　　純CE及其1.0％nm－SiC時復合材料磨損面的SEM圖片見圖4。

　　從圖4可以看出，純CE在摩擦過程中粘著轉移跡象明顯(圖4a)，而且由于摩擦熱作用使表面部分軟化，出現了大面積的熔融剝落和一定程度的蠕變，說明發生了較為嚴重的塑性變形和疲勞磨損。與之相比較，CE／1.0％nm－SiC復合材料磨損面上磨痕的寬度和深度明顯減小，塑性變形基本消失，粘著轉移跡象變得輕微，但溝槽周圍出現了一定數量的剝落坑，說明nm－SiC粒子有效地參與了應力承載，磨損機理主要特征為輕度的磨粒磨損和犁溝磨損，所以nm－SiC粒子的填充可以極大地提高CE的耐磨性。綜合考慮，nm－SiC粒子的引入，能夠顯著提高復合材料的耐磨性，改變其磨損機理，根本原因在于提高了CE的力學強度和耐熱性，改變了基體材料的內部結構和表面的物理狀態，從而有效地參與了摩擦應力承載，使對偶件上的轉移膜變得很薄很均勻，使磨損機理由純CE的粘著轉移磨損、塑性變形和疲勞磨損，演變成了輕度的磨粒磨損和犁溝磨損。

3　結　論

　　1)在實驗條件下，摩擦磨損性能測試結果表明，當nm－SiC質量分數為1.00％時，復合材料的磨損率低。相對于純CE，CE／1.0％nm－SiC復合材料的磨損率和穩定摩擦系數相對降低率為51.16％和17.95％。
　　2)SEM分析表明，nm－SiC的引入改變了其磨損機理。純CE試樣粘著轉移跡象明顯，磨損機理主要特征為較為嚴重的塑性變形和疲勞磨損；而CE／1.0％nm－SiC復合材料磨損面上塑性變形基本消失，磨損機理主要特征為輕度的磨粒磨損和犁溝磨損。