纤维增强环氧树脂复合材料抗固体颗粒流冲蚀磨损研究进展

发布时间：2019-08-07 17:30

【摘要】：在生产生活中,固体颗粒流冲蚀磨损会造成经济损失,并且存在安全隐患。环氧树脂复合材料具有较好的强度和耐冲蚀性能,被广泛地应用于颗粒流冲蚀磨损工况下。为进一步提升环氧树脂的耐冲蚀性能,通常通过填料来改性环氧树脂,其中纤维增强环氧树脂表现出优异的耐固体颗粒流冲蚀性能,使得环氧树脂复合材料的应用更加广阔。根据纤维的种类可以将其分为无机纤维(玻璃纤维或碳纤维)、自然纤维及混和纤维增强环氧树脂复合材料。综述了纤维增强环氧树脂复合材料抗固体颗粒流冲蚀性能的研究现状,讨论了不同的纤维增强复合材料表现出的冲蚀行为(塑性、脆性、半塑性、半脆性),重点分析和对比了不同纤维填料特性(纤维类型、纤维含量、纤维取向)增强环氧树脂复合材料在不同工况条件(冲蚀角度、冲蚀速度、磨粒特性)下的耐冲蚀磨损性能,阐明了不同纤维增强环氧复合材料的冲蚀模式和抗冲蚀机理,指出其现存的问题并展望其发展方向和前景。
【图文】：

第46卷第11期于晶晶等：纤维增强环氧树脂复合材料抗固体颗粒流冲蚀磨损研究进展·31·图1固体颗粒的冲蚀机制[14]Fig.1Erosionmechanismsofsolidparticle:(a)wearatlowimpactangle,(b)surfacefatigueduringlowspeed,highimpactangleimpact,(c)brittlefractureorplasticdeformationduringmediumspeed,highimpactangleimpact,(d)surfacemeltingathighimpactspeed,(e)macroscopicerosionundersecondaryeffects[14]1无机纤维无机纤维是具有优异性能的无机非金属材料，种类繁多。目前应用于冲蚀性能研究的主要是玻璃纤维和碳纤维，它们具有耐热性能较好、不燃、抗腐蚀性好、抗拉强度高等优点[18,19]。作为补强材料时，无机纤维与环氧树脂胶粘稳定，结合力较好，易于加工，能增强环氧树脂的刚性和硬度，从而提高环氧树脂的抗冲蚀性能。1.1玻璃纤维玻璃纤维具有机械强度高、耐热性好、抗腐蚀性好等优点，但缺点是性脆、耐磨性较差[20]。它们通常用作复合材料中的增强材料、电绝缘材料和绝热保温材料，目前已在生产生活中的各个领域使用。玻璃纤维应用于聚合物作为补强材料时，具有极高的抗拉强度[21,22]，其中增强环氧树脂复合材料的抗固体颗粒流冲蚀研究得到众多学者的关注。姜秉元[23]将粒子流喷射到玻璃纤维-环氧树脂复合材料上，结果表明：复合材料的冲蚀磨损率随粒子冲击角度的增大呈指数增加，在90°冲击角下达到最大值，且在0°~180°的范围内冲蚀磨损率呈对称分布。当纤维的排列方向与磨面平行时，材料的磨损率最高，但耐磨性低；当纤维的排列方向与磨面垂直时，材料的磨损率最低，耐磨性较好。Biswas等[24]将3种不同含量（20%、30%、40%，质量分数，后同）的玻璃纤维以4种取向（15°、30°、45°、60?

·32·表面技术2017年11月强玻璃纤维/环氧树脂复合材料的硬度、拉伸强度、弹性模量和密度均降低，导致冲蚀损失率达到较高值，而无硼酸增强的玻璃纤维/环氧树脂复合材料由于较好的胶粘力，展现出较低的冲蚀率。如图2所示，在纤维取向上，45°纤维取向的复合材料比0°纤维取向的复合材料具有更好的抗磨损性能。这是由于当磨粒颗粒冲击磨损掉表层的基体后将会直接冲击在玻璃纤维上，0°纤维取向的材料会在纤维上形成较大的弯曲力矩，而45°取向上的分成了法线分量和切线分量两部分，降低了直接作用于纤维的正向力，弯曲力矩较低，从而提高抗冲蚀性能。图2不同纤维取向复合材料冲蚀后的形貌图[26]Fig.2SEMimagesofcompositeswithdifferentfiberorienta-tions:(a)0°(0°/90°);(b)45°(45°/-45°)[26]Srivastava等[28]研究了粒子、撞击角和粒子速度对玻璃纤维增强环氧树脂复合材料的固体颗粒流冲蚀行为的影响。研究表明，在复合材料中加入小麦粉填料，降低了纤维增强环氧复合材料的硬度、抗拉强度和密度，当加入2g小麦粉时，冲蚀磨损率最低，纤维基质的脱模量降低，具有较低的冲蚀率。无小麦粉填料的复合材料由于粘接强度较低而导致较高的冲蚀率。在60°的冲击角下，冲蚀率最大，表现为半塑性冲蚀磨损行为，并且冲蚀由微切削和微犁耕所引起。由以上可得，以玻璃纤维为填料的环氧复合材料，，具有较好的抗固体颗粒流冲蚀磨损性能，对于辅助类填料，有利于提高结合力，对抗冲蚀性能提升有利，反之，则无明显改善。因此，在玻璃纤维/环氧复合材料的应用中可以选择性添加辅助填料来提高性能。1.2碳纤维碳纤维是发展迅速的一类特种纤维，具有比强度高、耐化学试剂、比模量高、体积孝耐高温、耐候性好等特性[29]。其既具
【作者单位】： 中国科学院宁波材料技术与工程研究所中国科学院海洋新材料与应用技术重点实验室浙江省海洋材料与防护技术重点实验室;中国科学技术大学纳米学院;
【基金】：国家自然科学基金(51775540) 浙江省重点研发计划(2015C01SA790002) 中国科学院战略性先导科技专项(XDA13040601) 宁波市自然科学基金(2017A610049)~~
【分类号】：TB332;TQ327

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本文编号：2524087