摘　要：采用模塑成型法制备氰酸酯树脂(CE)／纳米碳化硅(nm－SiC)复合材料，通过磨损率和摩擦系数测试探讨了nm－SiC对CE耐磨性能的影响，并通过扫描电子显微镜(SEM)分析探讨了其磨损机理。结果表明，nm－SiC的质量分数为1.00％时，CE／nm－SiC复合材料的磨损率低，相对于纯CE降低了51.16％，稳定摩擦系数降低了17.95％，磨损机理为轻度磨粒磨损和犁沟磨损。
关键词：氰酸酯树脂；纳米碳化硅；磨损率；摩擦系数；磨损机理

0　引　言

　　聚合物耐磨性能一直是摩擦学研究的1个重要领域。氰酸酯树脂属于一类具有结构和功能相结合的热固性树脂，目前研究多是双酚A型氰酸酯树脂(简称CE)。CE具有密度小、强度高、耐热性优良、摩擦系数小、易加工等优点。为了满足各种情况下应用的需要，人们对氰酸酯树脂及其复合材料进行了许多开发，许多无机纳米粒子如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，这种无机纳米粒子属于刚性填料，其特性除对聚合物基复合材料的力学性能、热学性能、介电性能等有较大影响外，还不同程度地影响到其摩擦性能。因此，我们在前期工作的基础上，进一步研究了nm－SiC对氰酸酯树脂摩擦系数和磨损率的影响，并通过SEM分析探讨了其磨损机理。

1　实验部分

1.1　原材料
　　双酚A型氰酸酯(CE)，白色颗粒，工业品，熔点74℃，纯度98.2％，航空工业济南特种结构研究所，实验前在40℃／500 mmHg下抽真空4 h，除去吸附的水分及小分子杂质，密封备用；nm－SiC，粒径40～60 nm，灰绿色超细粉末，合肥开尔纳米发展有限公司，实验前在120℃烘箱中烘干3 h，气流粉碎，密封备用；其他试剂均为分析纯，市售。
1.2　仪器及设备
　　超声波分散器，KQ－300DE型，昆山市超声仪器有限公司。鼓风干燥箱：101A－1型，上海市实验仪器总厂。恒温真空干燥箱，DZF－6050A型，北京中兴伟业仪器有限公司。均质机，FJ－200型，上海分析仪器厂。摩擦磨损试验机，MM－2000型，济南试验机厂。扫描电子显微镜(SEM)，Quanta200型，美国Fei公司。
1.3　CE／nm－SiC复合材料的制备
　　将双酚A型氰酸酯油浴加热熔融，按质量分数加入定量预处理过的nm－SiC，在不断搅拌下升温至80℃，先用均质机高速搅拌1 min，随后缓慢匀速搅拌10 min，注入预热过的模具中，然后连同模具一起放入恒温真空干燥箱中，保持温度(80±1)℃，抽真空至无气泡逸出，按照工艺80℃／1 h+100℃／1 h+120℃／1 h+150℃／1 h+180℃／1 h+200℃／2 h进行固化处理和220℃／3 h后固化处理，自然冷却至室温后，按要求加工成试样板材，制得(b)CE／nm－SiC复合材料。同法制取纯CE试样(a)纯CE，作比较用。
1.4　性能测试与袁征
　　在MM－2000摩擦磨损实验机上测试材料试样的磨损率和稳定摩擦系数，试样和对偶件用600^#金相砂纸打磨，经丙酮超声清洗并晾干，摩擦对偶件为AISI1045钢环。实验条件：大气氛围，室温(25±2)℃，空气相对湿度40％～45％，载荷(F)200N，对偶环转速200 r／min，摩擦时间120 min。通过测定摩擦力矩计算摩擦系数，数值由试验机配置的计算机直接采集，稳定摩擦系数取值为达到稳定磨损状态后60 min内的平均值。采用精度为0.01 mg电子天平测量试样的摩擦质量耗损△m(g)，并由测得的材料密度ρ(g／cm³)和摩擦滑动行程L(m)，计算磨损率ω(mm³／N・m)。

　　用Quanta200扫描电子显微镜观察对偶钢环表面的转移膜和磨损表面的形貌特征，分析其磨损机理。扫描条件：摩擦表面经喷金处理，扫描加速电压20 kV。

2　结果与讨论

2.1　nm－SiC对复合材料耐磨性的影响
　　nm－SiC含量对复合材料磨损率的影响见图1。

　　可以看出，随着nm－SiC质量分数的增加，CE／nm－SiC复合材料的磨损率呈现凹峰形状变化，当nm－SiC质量分数为1.0％时，复合材料的磨损率达到了低值。在氰酸酯基纳米复合材料中，nm－SiC填料发挥耐磨作用的前提是，在摩擦过程中能够以一定比例的粒子出现在摩擦接触面上。nm－SiC填料作为一种特殊的刚性粒子，随着质量分数的增加，在复合材料摩擦接触面上参与应力承载的粒子数量也随之增加，因此其磨损率也随之减小。但是，当nm－SiC质量分数超过1.0％后，由于粒子之间界面作用不断加强，致使其团聚现象进一步增加，从而使其均匀分散性受到一定影响，其磨损率反而会随之增加。从测试数据来看，纯CE的磨损率为4.73×10^-6 mm³／N・m，CE／1.0％nm－SiC复合材料的磨损率为2.31×10^-6 mm³／N・m，比纯CE的磨损率降低了51.16％。由此可见，适量nm－SiC可极大提高CE的耐磨性，1.0％nm－SiC时的改性效果好。
　　为纯CE及其1.0％nm－SiC时复合材料的摩擦系数随着磨损时间的变化见图2。

　　可以看出，纯CE的摩擦系数随磨揖时间的变化规律与CE／1.0％nm－SiC复合材料的变化规律具有相似性，即摩擦系数在摩擦初期先急剧升高然后迅速下降，大约35 min后随着磨损时间的延长逐渐趋于平稳变化。但从平稳后的变化形态来看，却有显著差异，CE／1.0％nm－SiC复合材料摩擦系数的变化明显低于纯CE的摩擦系数。从测试数据来看，相对纯CE的稳定摩擦系数0.39，CE／1.0％nm－SiC复合材料的的稳定摩擦系数为0.32，相对下降率17.95％。由此可见，nm－SiC在极大降低CE磨损率的同时，也能够有效地降低其摩擦系数。
2.2　磨损机理分析
　　纯CE及其1.0％nm－SiC时复合材料对摩环表面上转移膜的SEM图片见图3。

　　在聚合物摩擦过程中，对偶件表面转移膜的形态和厚度对摩擦学行为起着决定性作用。越薄、越均匀、越致密、越光滑的连续转移膜，越不容易脱落，可以有效地将钢环表面同摩擦面隔开，使摩擦运动发生在转移膜与磨面之间，起到很好的减摩耐磨作用。比较图3(a，b)可以看出，纯CE对摩环表面上的转移膜很厚，磨痕粗糙无规则；而CE／1.0％nm－SiC复合材料对摩环表面上的转移膜相对较薄，磨痕间距变小有一定规律性，且无大块磨脱现象，说明材料表面承载的粒子半径变小，这可从磨痕宽度上明显看出。所以，从转移膜的薄厚变化和形态特征来看，nm－SiC的引入使CE／1.0％nm－SiC复合材料的耐磨性要明显优于纯CE。　
　　纯CE及其1.0％nm－SiC时复合材料磨损面的SEM图片见图4。

　　从图4可以看出，纯CE在摩擦过程中粘着转移迹象明显(图4a)，而且由于摩擦热作用使表面部分软化，出现了大面积的熔融剥落和一定程度的蠕变，说明发生了较为严重的塑性变形和疲劳磨损。与之相比较，CE／1.0％nm－SiC复合材料磨损面上磨痕的宽度和深度明显减小，塑性变形基本消失，粘着转移迹象变得轻微，但沟槽周围出现了一定数量的剥落坑，说明nm－SiC粒子有效地参与了应力承载，磨损机理主要特征为轻度的磨粒磨损和犁沟磨损，所以nm－SiC粒子的填充可以极大地提高CE的耐磨性。综合考虑，nm－SiC粒子的引入，能够显著提高复合材料的耐磨性，改变其磨损机理，根本原因在于提高了CE的力学强度和耐热性，改变了基体材料的内部结构和表面的物理状态，从而有效地参与了摩擦应力承载，使对偶件上的转移膜变得很薄很均匀，使磨损机理由纯CE的粘着转移磨损、塑性变形和疲劳磨损，演变成了轻度的磨粒磨损和犁沟磨损。

3　结　论

　　1)在实验条件下，摩擦磨损性能测试结果表明，当nm－SiC质量分数为1.00％时，复合材料的磨损率低。相对于纯CE，CE／1.0％nm－SiC复合材料的磨损率和稳定摩擦系数相对降低率为51.16％和17.95％。
　　2)SEM分析表明，nm－SiC的引入改变了其磨损机理。纯CE试样粘着转移迹象明显，磨损机理主要特征为较为严重的塑性变形和疲劳磨损；而CE／1.0％nm－SiC复合材料磨损面上塑性变形基本消失，磨损机理主要特征为轻度的磨粒磨损和犁沟磨损。