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摩擦片成分设计-摩擦片中纳米材料的作用是提高摩擦片的耐磨性和耐热性
4纳米增强相
铜基湿式摩擦片中纳米材料的作用是提高摩擦片的耐磨性和耐热性,稳 定摩擦系数。因此作为摩擦片增强相的纳米材料应具有较高的耐磨性,良好的 热稳定性及与基体之间的相容性和化学稳定性。
本研究中纳米组分初步选用纳米SiO2 (n-SiCh)、铜包覆纳米SiO2(Cu/n-SiO2)> 镣包覆纳米SiCh (Ni/n-SiCh)、纳米SiC (n-SiC),纳米SiC晶须(n-SiCw)、纳米 AIN (n-AlN)和纳米石墨(n-C) 7种材料,纳米材料的主要性能指标如表3.3所 示。其中,n-SiO2具有质量轻、耐磨、耐高温、耐腐蚀及热膨胀系数小等一系列奇 异的特性,巳在聚合物、陶瓷、涂料、生物医学等诸多领域得到广泛应用;此外, n-SiO2制备工艺简单,价格低廉;并且前期研究表明,在湿式摩擦片中,随SiCh 粒度的减小,摩擦片的耐磨性提高。Cu/n-SiO2与Ni/n-SiO2复合颗粒分别在n-SQ 表面包覆了 Cu和Ni,可改善n-SiO2与铜基体的相容性;n-SiC和n-SiCw具有较高 的硬度和热导率;A1N具有良好的导热性能;纳米石墨则具有良好的润滑减磨性 能和耐热性能。
釆用S4800型场发射扫描电子显微镜(ESEM)观测了 n-SiO2>Ni/n-SiO2^n-AlN 和n-C的形貌(见图3.4、图3.5、图3.6和图3.7)。
表3.3纳米材料的性能指标
Table 3.3 Parameters of nanomaterials
平均粒径 |
松装密度/ (g*cm'3) |
纯度 |
|||
纳米材料 |
/ nm |
长径比 |
/% |
晶型 |
|
n-SiO2 |
30 |
- |
<0.12 |
>99.5 |
无定形 |
Ni/n-SiO2 |
100 |
- |
- |
>99.0 |
- |
Cu/n-SiO2 |
100 |
- |
- |
>99.0 |
- |
n-SiC |
60 |
- |
0.05 |
>99.0 |
立方 |
n-SiCw |
100 |
>10 |
- |
>95.0 |
立方 |
n-AlN |
40 |
- |
0.05 |
>99.0 |
六方 |
n-C |
1000-2000 |
- |
- |
>99.0 |
- |
由图3.4 (a)知,单个纳米Si02颗粒呈类球形,粒径约30 nm,纳米颗粒之 间发生一定的团聚,团聚后的颗粒呈球形,平均粒径约1〜3卩m。在图3.5 (a)中, Ni/n-SiO2复合颗粒的平均粒径约100nm,团聚后的颗粒呈类球形(见图3.5 (b)), 平均粒径约5|imo由图3.6可知,n-AlN颗粒为球形,平均粒径约30 nm,团聚后 呈絮状。由图3.7 (a)可知,n-C为层片状块体,块体粒径约1〜2卩m,层厚约100 nm, n-C颗粒之间分散性较好(见图3.7 (b))。
釆用JEM200CX型透射电镜(TEM)进一步分析n-SiO2的结构,n-SiO2的TEM 照片、电子衍射花样见图3..。由分析结果可知,n-SiCh为非晶态,存在轻微团聚。
(a) n-SiO2颗粒
(b)团聚颗粒
图3.4 n-SiO2粉体SEM照片
Fig. 3.4 SEM photographs of n-SiO, powder
(a) Ni/n-SiO2颗粒
(b)团聚颗粒
图3.5 Ni/n-SiO2粉体SEM照片
Fig. 3.5 SEM photographs ofNi/n-SiOj powder
(a) n-AlN 颗粒
(b)团聚颗粒
5摩擦片配方
摩擦片的基础配方由基体组元、润滑组元和摩擦组元构成,其中基体组元 釆用电解铜粉,雾化锡粉和锌粉作为基体的合金化元素,天然石墨作为润滑组元, 石英石为摩擦组元,原材料的主要性能指标见表3.4。
表3.4原材料的主要性能指标
Table 3.4 Main Materials performance
项目 |
Cu |
Sn |
Zn |
C |
SiO2 |
粒度 |
-200 目 >90% (其 中-300 目 >60%) |
-325 目 |
-325 目 |
-100 目 |
-325 目 |
加工方式 |
电解铜粉 |
雾化锡粉 |
雾化锌粉 |
石墨粉 |
白色粉末 |
|
|
锡含量 |
锌含量 |
碳含量 |
|
纯度 |
铜含量299.8%, |
>98%, |
>98%, |
>99%, |
水分含量 |
氧含量#.4% |
氧含量 |
氧含量 |
水分含量 |
<1% |
|
|
|
<0.3% |
<0.3% |
<0.5% |
|
通过测试摩擦片的摩擦磨损性能和耐热性能,优化摩擦片的成分,其核 心是确定纳米材料的种类与含量。为排除其它组元对试验结果的影响,试验中仅 改变Cu和纳米材料的配比,其它组元固定不变,配方和原料性能指标分别见表3.4 和表3.5。由于纳米材料的最大添加量取决于混料的压坯强度,根据前期探索性压 制试验,本研究中纳米材料的添加量为0.75 wt%o纳米材料增强铜基摩擦片的 成分配比和试样编号见表3.5o
表3.5铜基摩擦片配方(wt%)
Table 3.5 Materia] formulations of copper-based criction (wt %)
编号 |
成分 |
|||||||||||
Cu |
Zn |
Sn |
C |
SiO2 |
n-SiOa |
Cu/ n-SiO2 |
Ni/ n-SiO2 |
n-SiC |
n-SiCw |
n-AlN |
纳米石 墨 |
|
Cu-n-1 |
余量 |
7 |
6.5 |
16 |
3 |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
Cu-n-2 |
余量 |
7 |
6.5 |
16 |
3 |
0.75 |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
Cu-n-3 |
余量 |
7 |
6.5 |
16 |
3 |
- |
0.75 |
- |
- |
- |
- |
- |
Cu-n-4 |
余量 |
7 |
6.5 |
16 |
3 |
- |
- |
0.75 |
- |
- |
- |
- |
Cu-n-5 |
余量 |
7 |
6.5 |
16 |
3 |
- |
- |
- |
0.75 |
- |
- |
- |
Cu-n-6 |
余量 |
7 |
6.5 |
16 |
3 |
- |
- |
- |
- |
0.75 |
- |
- |
Cu-n-7 |
余量 |
7 |
6.5 |
16 |
3 |
- |
- |
- |
- |
- |
0.75 |
- |
Cu-n-8 |
余量 |
7 |
6.5 |
10 |
3 |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
2 |