設(shè)計納米二氧化硅、二氧化鈦填充

1、納米二氧化硅、二氧化鈦填充EP/碳纖維的復(fù)合涂層的耐摩擦性能 班級：包裝工程102班 學(xué)生：時宗霞 學(xué)號：10115020210 指導(dǎo)老師：魏風(fēng)軍 河 南 科 技 大 學(xué) 藝 術(shù) 與 設(shè) 計 學(xué) 院目 錄本文工作2實驗準備3實驗步驟4數(shù)據(jù)處理5研究背景1結(jié)論8實驗數(shù)據(jù)7摩擦學(xué)性能測試61、研究背景 此耐摩擦涂層主要用于航空航天中的關(guān)節(jié)軸承，增加其耐磨擦性能。 有研究做過在高分子聚合物中添加一種納米粒子的復(fù)合涂層，本次試驗在添加一種納米材料的基礎(chǔ)上再次添加一種納米材料，研究在高分子聚合物中添加兩種納米粒子后，復(fù)合涂層的耐磨性會不會更優(yōu)。無機納米粒子增韌環(huán)氧樹脂的原理1.無機納米粒子在變形中產(chǎn)生應(yīng)

2、力集中，引發(fā)粒子周圍的樹脂基體屈服，從而吸收大量變形功，阻礙和鈍化銀紋在樹脂中的擴展，起到防止破壞性開裂的作用 。2. 剛性無機納米粒子在拉應(yīng)力作用下的伸長變形很小，導(dǎo)致基體和無機粒子的界面部分脫粘而產(chǎn)生空穴，進而使裂紋鈍化，阻礙裂紋擴展成破壞性裂縫而產(chǎn)生增韌作用 。3. 無機納米粒子表面存在大量的不飽和殘鍵及活性基團，表面活性高，能夠與高分子鏈發(fā)生物理或化學(xué)交聯(lián)，而且經(jīng)有機改性的無機納米粒子的化學(xué)交聯(lián)作用更為顯著，因此導(dǎo)致材料在沖擊作用下產(chǎn)生更多微裂紋，吸收更多沖擊能。2、本文的工作本論文以提高環(huán)氧樹脂涂層的耐磨性為目標，采用環(huán)氧樹脂為基體，以納米二氧化鈦和納米三氧化二鋁粒子為改性填料，碳纖

3、維織物為增強體，研究了添加不同比例不同類型的納米粒子對碳纖維/EP涂層耐磨性的影響。(1) 討論了添加和不添加納米粒子對復(fù)合材料的摩擦磨損性能的影響。(2) 選用TiO2作為納米填充顆粒，研究占環(huán)氧樹脂質(zhì)量的不同比例的改性納米顆粒對復(fù)合材料的摩擦磨損性能的影響。(3) 通過對納米TiO2的改性和不改性的變化來制備涂層液體浸泡碳纖維，從而對比出經(jīng)過改性的納米粒子對復(fù)合材料摩擦性能的影響。(4) 同時選用TiO2，Al2O3作為納米填充顆粒，研究不同比例的兩種納米顆粒對復(fù)合材料的摩擦磨損性能的影響。3、實驗準備表1 實驗材料材料名稱生產(chǎn)廠家備注納米氧化鈦上海超威納米有限公司5-10 nm納米氧化鋁

4、格雷西亞化學(xué)技術(shù)有限公司70 nm無水乙醇天津市化學(xué)試劑三廠分析純環(huán)氧樹脂鎮(zhèn)江丹寶樹脂有限公司E-44(6101)丁酮天津市化學(xué)試劑三廠分析純聚酰胺樹脂鎮(zhèn)江丹寶樹脂有限公司低分子650碳纖維織物珠海輝帛復(fù)合材料有限公司平織甲苯煙臺市雙化工有限公司分析純，AR丙酮天津市化學(xué)試劑三廠分析純硅烷偶聯(lián)劑南京道寧化工有限公司KH550 AR表2 實驗設(shè)備設(shè)備型號廠家超聲波清洗機KQ3200E型昆山市超聲儀器有限公司 智能恒溫磁力攪拌器2NCL-S型鄭州凱鵬實驗儀器有限公司電子數(shù)顯千分尺0-25mm廣陸數(shù)字測控股份有限公司數(shù)顯磁力攪拌器98-3型鄭州凱鵬實驗儀器有限公司電子天平FA2004N型上海菁海儀器

5、有限公司電熱鼓風(fēng)恒溫干燥箱101-2型上海雙彪儀器設(shè)備有限公司0-150mm游標卡尺桂制0300002上海申韓量具有限公司紅外測溫儀303B/305B深圳市勝利高電子科技有限公司磨損試驗機MM200宣化試驗機廠4、實驗步驟(1) 將納米TiO2、納米AL2O3粒子放入電熱鼓風(fēng)恒溫干燥箱中在80下恒溫干燥24h直至烘干；(2) 將碳纖維織物剪成適宜的小塊放入無水乙醇中浸泡12h，浸泡后取出放在恒溫干燥箱中進行烘干；(3) 按照m環(huán)氧：v丁酮=1:2.4配制環(huán)氧/丁酮溶液（定義為A溶液）、m聚酰胺：v甲苯=1:2.4配制聚酰胺/甲苯溶液（定義為B溶液）；(4) 取出按照20811mm做好的45#鋼

6、塊，測其厚度，分別用粒度為600目的砂紙進行打磨，使各鐵塊的厚度基本一致，其表面粗糙度達到Ra=0.45m；再用無水乙醇浸泡鋼塊并放置在超聲波清洗機中超聲清洗5min,清洗后取出鋼塊在恒溫干燥箱中烘干；(5) 取出烘干的鋼塊，按照順序分別貼上標簽，測出每一塊的重量，記錄下來，并測出每一塊的厚度，每塊測四組數(shù)據(jù)，記錄下來；(6) 稱取一定比例的納米粒子(以環(huán)氧質(zhì)量百分比計算)、偶聯(lián)劑KH550(與納米粒子量相等)，然后加入大約10ml的丙酮溶液，放入超聲波清洗器中處理20min,其目的是對納米粒子進行表面改性； (7) 從超聲波清洗器中取出改性過的納米粒子，加入20ml的A溶液，在燒杯中放入磁子

7、，然后放入智能恒溫磁力攪拌器中85加熱攪拌30min后取出備用；(8) 向經(jīng)7處理后的燒杯中加入10ml的B溶液，在磁力攪拌器中攪拌10min，將溶液取出；(9) 把配制好的溶液倒進放有碳纖維的玻璃器皿中，浸泡10min后取出放入烘箱中80固化5min后取出備用；(10) 把在(9)浸漬后的碳纖維織物放入(9)的溶液中進行二次浸泡碳纖維10min后，在烘箱中固化3min后取出；(11) 二次固化后，把浸泡過溶液的碳纖維裁剪成與涂覆鋼塊面積大小接近的涂層，手動涂覆；(12) 把鋼塊規(guī)整的放到鋪有保鮮膜的玻璃上，用聚四氟乙烯蓋到涂層表面（防止與上面的玻璃粘結(jié)），垂直的放下上層玻璃，然后將其整體放入

8、密閉的塑料袋中進行抽真空，直到上下兩層玻璃壓緊中間的鋼塊；(13) 然后將真空袋放入烘箱中固化5h后取出；(14) 將鋼塊其他表面處理干凈后，按照貼好的標簽順序測量其重量及厚度，然后分別裝入樣品袋中，在樣品袋表面標明詳細信息，以備使用。5、數(shù)據(jù)處理摩擦系數(shù)由每次試驗所記錄的摩擦力矩計算得到。計算公式為： 其中： M為摩擦力矩，單位為N.M； N為負載，為20Kg； R為鋼環(huán)半徑，為25mm。磨損量的計算公式 V 其中：L 為磨痕長度； b 為磨痕寬度； R 為鋼環(huán)半徑，為25mm；根據(jù)實驗結(jié)果由公式可得到磨損率 Ks 為： 其中：L 為滑動距離；6、摩擦學(xué)性能測試采用MM-200摩擦磨損試驗機

9、進行環(huán)-塊式滑動摩擦磨損試驗，旋轉(zhuǎn)的鋼輪與高分子材料試樣塊組成摩擦副，接觸形成線接觸。試樣的尺寸為20118mm，工作面尺寸為118mm，表面用砂紙經(jīng)研磨處理。摩擦副為45鋼，其直徑尺寸為50mm，表面同樣用粒度600目砂紙研磨（表面粗糙度Ra=0.45m）。試樣和鋼環(huán)均用丙酮清洗，晾干后使用。試驗條件為：鋼環(huán)轉(zhuǎn)速為0.54m/s，摩擦?xí)r間為30min，由此得到摩擦行程為942.5m。載荷為200N。每組樣品均做干摩擦，試驗環(huán)境溫度為20度左右，相對濕度50%左右。將各規(guī)格的鐵塊先后安裝在相應(yīng)位置，調(diào)整載荷為200N，選擇量程為0-5，開動機器，選擇的轉(zhuǎn)速為低速，在摩擦發(fā)生的下方放置一塊紙片來

10、收集磨屑，開啟摩擦試驗機。從開始摩擦?xí)r間起，5、10、15、20、25、30、1、130直至到15分鐘，其中每隔30秒鐘測試一次摩擦涂層表面的溫度，讀取此刻的扭矩，記錄下來，從15min到30min，每隔一分鐘測試記錄一次數(shù)據(jù)。30min后摩擦測試結(jié)束，關(guān)閉摩擦機械。測試磨后鐵塊的質(zhì)量，鐵塊的厚度及磨痕的寬度和長度，并記錄下來。MM-200磨損試驗機7、實驗數(shù)據(jù)不同質(zhì)量分數(shù)的改性氧化鈦納米復(fù)合涂層表3 經(jīng)改性的不同質(zhì)量分數(shù)的納米TiO2復(fù)合涂層的摩擦數(shù)據(jù)是否改性改性二氧化鈦的含量磨損率 (10-14N.m)摩擦系數(shù)（10-1）磨損量（g）-03.183231.6680.0049改性0.50%0

11、.951.70.0009改性1.00%1.0861.9840.0007改性2.00%1.3571.8280.0013改性3.00%1.231.5720.0017改性4.00%1.411.5880.0032改性5.00%1.351.980.0040改性10.00%1.0861.4280.0021表4 經(jīng)改性的不同質(zhì)量分數(shù)的納米TiO2復(fù)合涂層的摩擦數(shù)據(jù)當(dāng)不添加納米粒子的時候，圖層的磨損率最大，添加納米材料后，復(fù)合涂層的磨損率明顯變小，而且在納米二氧化鈦含量為0.5%的時候磨損率達到最小，最小值為0.9510-14。摩擦系數(shù)主要表明涂層表面的光滑程度，隨著納米粒子質(zhì)量分數(shù)的增加，摩擦系數(shù)呈先上升再

12、減少的趨勢，當(dāng)納米氧化鈦的質(zhì)量分數(shù)為10%的時候，復(fù)合涂層的摩擦系數(shù)最小，此時，復(fù)合圖層的表面最光滑。不同質(zhì)量分數(shù)的未改性氧化鈦納米復(fù)合涂層表5 未改性的不同質(zhì)量分數(shù)的納米TiO2復(fù)合涂層的摩擦數(shù)據(jù)是否改性不改性二氧化鈦的含量磨損率(10-14)摩擦系數(shù)（10-1）磨損量-03.183231.6680.0049不改性0.50%2.3971.9560.0014不改性1.00%2.262.1840.0024不改性2.00%2.261.9440.0023不改性3.00%1.2931.840.0029不改性4.00%1.061.940.0036不改性5.00%1.511.90.0057不改性10.00

13、%1.3861.5640.0054表6 未改性的不同質(zhì)量分數(shù)的納米TiO2復(fù)合涂層的摩擦數(shù)據(jù)從表5及表6磨損率及摩擦系數(shù)圖，可以看出當(dāng)不添加納米粒子時，復(fù)合涂層的磨損率最大，當(dāng)添加納米粒子后，復(fù)合涂層的磨損率明顯下降，當(dāng)未改性的二氧化鈦的質(zhì)量分數(shù)為4.0%的時候，磨損率達到最小，此時最小磨損率為1.0610-14。此外，隨著未改性的納米氧化鈦質(zhì)量分數(shù)的增加，復(fù)合涂層的摩擦系數(shù)為先增大再減小的趨勢，且在10%的時候摩擦系數(shù)為最小。添加兩種納米粒子復(fù)合涂層的摩擦數(shù)據(jù)表7 添加改性的不同質(zhì)量分數(shù)的納米TiO2和AL2O3的復(fù)合涂層的摩擦數(shù)據(jù)二氧化鈦和三氧化二鋁含量磨損率（10-14）摩擦系數(shù)（10-

14、1N.m）磨損量（10-3g）1%二氧化鈦+1%三氧化二鋁0.8851.4521.01%二氧化鈦+2%三氧化二鋁3.3452.0083.41%二氧化鈦+3%三氧化二鋁3.2962.1483.12%二氧化鈦+1%三氧化二鋁3.0301.7288.32%二氧化鈦+2%三氧化二鋁2.1101.7845.12%二氧化鈦+3%三氧化二鋁1.7001.8006.33%二氧化鈦+1%三氧化二鋁2.7501.8364.53%二氧化鈦+2%三氧化二鋁2.4601.6844.23%二氧化鈦+3%三氧化二鋁6.5201.34210.5表8 添加改性的不同質(zhì)量分數(shù)的納米TiO2和AL2O3的復(fù)合涂層的摩擦數(shù)據(jù)從表7和

15、表8不同質(zhì)量分數(shù)的兩種改性納米粒子制備復(fù)合涂層的磨損率、麻擦系數(shù)、磨損量圖表可以看出當(dāng)兩種納米粒子含量為3%二氧化鈦+3%三氧化二鋁時，復(fù)合涂層有最小的摩擦系數(shù)。當(dāng)兩種納米粒子含量為1%二氧化鈦+1%三氧化二鋁時，復(fù)合涂層有最小的磨損率和磨損量，此時的磨損率為0.88510-14N.m，當(dāng)復(fù)合涂層中只添加質(zhì)量分數(shù)為1%二氧化鈦納米粒子時，復(fù)合圖層的磨損率為0.9510-14N.m，當(dāng)復(fù)合圖層中只添加質(zhì)量分數(shù)為1%三氧化二鋁納米粒子時，復(fù)合涂層的磨損率為3.54310-14N.m。所以說明當(dāng)添加兩種納米粒子時，復(fù)合涂層的磨損率會比兩種納米粒子單獨添加的時候都小，所以證明當(dāng)加入兩種納米粒子時，兩種

16、納米粒子之間有協(xié)同效應(yīng)。8、結(jié)論(1) 適當(dāng)含量的均勻分布的納米填料能夠增強納米復(fù)合材料的強度、韌性。由于納米填料高的表面活性增強了分子鏈間的相互作用，使材料內(nèi)部不易引發(fā)裂紋。但若納米填料含量過高或發(fā)生了團聚，這些團聚體作為應(yīng)力集中，在這些團聚體的周圍應(yīng)力很大并且分布不均勻，從而會導(dǎo)致納米材料的強度降低，因此控制好納米粒子的分散性是十分重要的。(2) 納米粒子具有尺寸小的特性，能夠進入對磨面的不平處，填平磨痕，從而增強了轉(zhuǎn)移膜與對偶面的相互作用，促進形成薄而且穩(wěn)定的轉(zhuǎn)移膜，提高了納米復(fù)合材料的摩擦磨損性能。(3) 當(dāng)加入一種納米二氧化鈦的時候，當(dāng)加入的納米二氧化鈦的質(zhì)量分數(shù)為0.5%的時候，復(fù)

17、合涂層的摩損率最優(yōu)，此時的磨損率為0.8510-14N.m，在納米二氧化鈦的質(zhì)量分數(shù)為10%的時候，復(fù)合涂層有最小的摩擦系數(shù)。(4) 納米粒子進過KH550處理和未經(jīng)過KH550處理制得的復(fù)合涂層的摩擦性能有很大的差異，經(jīng)過KH550處理的納米粒子復(fù)合圖層的摩擦磨損性能更好。(5) 與單一的納米粒子相比，兩種混合的納米粒子的添加使復(fù)合材料的摩擦磨損性能更好。在實驗中，同時加入1%的納米二氧化鈦和1%的納米三氧化二鋁時，復(fù)合涂層的磨損率最小，而且比單獨加入兩種納米粒子的復(fù)合涂層的磨損率都小，所以當(dāng)加入兩種納米粒子時，兩種納米粒子之間有協(xié)同效應(yīng)。致謝進過半年的辛苦努力，我終于完成了我的畢業(yè)設(shè)計，首先要感謝我的指導(dǎo)老師魏老師和我一起做實驗的四個小伙伴。魏老師平日里