不锈钢三维网络复合结构的制造及其摩擦磨损和切削性能研究

发布时间：2020-08-28 19:34

　　三维网络复合材料是组分在三维空间上相互缠绕、贯穿形成的新型复合材料。金属-聚合物复合材料能够综合金属的强度和塑性与聚合物的吸能特性,ZA锌合金虽具有良好的机械性能与耐磨性性能,但在温度大于100℃时其机械性能及耐磨性降低,增强相的加入能够提高其高温性能。为了获得机械强度及吸能特性较好的聚合物复合材料、高温力学性能及耐磨性较好的锌合金复合材料,本课题提出了不锈钢-不饱和聚酯树脂和不锈钢-锌合金三维网络复合材料的制备工艺,分析了复合材料各向异性的微观结构、基本力学性能,研究了三维网络锌合金复合材料的常温及高温摩擦磨损、切削性能。利用短切装置剪切不锈钢丝绳制备的304不锈钢短纤维压制后固相烧结、卷叠不锈钢丝网形成三维不锈钢网络预制体,随后采用真空浸渗制备了不锈钢-不饱和聚酯树脂三维网络复合结构材料,利用挤压铸造制备了不锈钢-ZA8锌合金三维网络复合结构材料。锌合金复合材料微观结构表现出各向异性,微观结构包含大量的分布在共晶组织基体(α+η)中的颗粒状β支晶,以β支晶为形核中心在其四周形成了一层“日晕”似的η相圆环,共晶组织基体在不同区域存在着层片状和颗粒状结构。研究了不锈钢纤维体积含量、直径、取样方向对不锈钢纤维网络树脂复合材料的基本力学性能的影响。复合材料力学性能表现出各向异性,细纤维能够提高复合材料的力学性能。复合材料拉伸曲线在塑性变形阶段出现了锯齿状波动,面内方向拉伸强度及弹性模量较厚度方向大,拉伸强度、最大力伸长率随着纤维含量的增加而增大。复合材料面内方向压缩表现出明显的三阶段:弹性阶段、假塑性平台阶段及致密化阶段,而厚度方向压缩没有出现长的假塑性平台阶段;压缩平台应力及弹性模量随着纤维含量的增加而增大,厚度方向平台应力及应变大于面内方向;复合材料的最大吸能效率稍低于预制体,在一定范围内随着纤维含量的增大而减小。复合材料厚度方向三点弯曲强度大于但最大载荷挠度小于面内方向,三点弯曲强度随着纤维含量增加而增大。复合材料冲击韧度大于预制体,随着纤维含量的增加而增大,并且厚度方向冲击韧度大面内方向。锌合金及不锈钢纤维网络锌合金复合材料的热膨胀系数随着温度的增加而增大,但复合材料的热膨胀系数小于锌合金,并随着纤维含量的增加而减小。复合材料的硬度随着纤维含量增大而增大,并体现出各向异性,细丝能够提高其硬度及降低热膨胀系数。分析了纤维含量、直径、取样方向对不锈钢纤维网络锌合金复合材料的力学性能的影响。室温单轴压缩过程中,复合材料力达到最大值后下降,并出现贯穿裂纹,而ZA8锌合金的压缩应力则随着应变的增加一直增大,并未产生贯穿裂纹;复合材料的压缩弹性模量及屈服强度高于ZA8锌合金,且随着纤维含量的增加而增大;轴向压缩强度及最大力应变大于径向压缩。复合材料高温压缩稳定应力随着纤维含量增加而增大,径向压缩稳定应力大于轴向且大于ZA8锌合金。复合材料的轴向冲击韧度大于径向冲击韧度,均大于ZA8锌合金,随着纤维含量的增加而增大。讨论了钢丝含量、取样方向、直径及预制体是否烧结对不锈钢丝网布/锌合金复合材料的力学性能的影响。复合材料的室温拉伸强度及伸长率随着钢丝含量增加而增大但小于锌合金,轴向拉伸性能优于径向拉伸,预制体烧结后复合材料的拉伸性能降低。当钢丝含量大于一定值时,复合材料高温拉伸强度才大于锌合金。复合材料室温轴向压缩强度及应变大于径向压缩,预制体烧结提高了复合材料的压缩强度及最大力应变,但降低了屈服强度,压缩强度及应变随着钢丝含量的增加而增大。提出了十字骨架模型及螺旋钢丝骨架模型,模拟了不锈钢纤维网络树脂及锌合金复合材料的压缩变形及应力变化过程,两种模型均能很好描述复合材料的弹性变形过程和初始的塑性变形过程,在应变大于一定范围后,模拟结果出现偏差。探究了不锈钢纤维网络复合材料的常温及高温(120℃)滑动摩擦磨损性能。复合材料的摩擦系数均小于锌合金,复合材料的轴向摩擦磨损性能优于径向。在室温下,复合材料的磨损率随着纤维的增大先减小后增大,存在着最优的纤维含量(本文为35.98%)使得复合材料磨损率最小,并小于锌合金,随着载荷的增大,复合材料磨损率增大。在120℃时,复合材料的磨损率随着纤维含量的增大先减小后增大,且远小于锌合金。常温下,锌合金磨损机制为剥层磨损并伴随着轻微的磨粒磨损,高温下为严重的粘着磨损和塑性变形;而复合材料均为磨粒(犁沟)磨损伴随着轻微的粘着磨损。对比探讨了锌合金及其复合材料的干切削性能。复合材料的切削力-时间曲线波动较锌合金大,并随着纤维含量的增加,波动程度加剧,但平均切削力较锌合金小。复合材料的切削力随切削速度、进给量、切削深度变化规律和锌合金的不同。纤维含量对切削力影响较为复杂,在较低速度下,高纤维含量的复合材料切削力较小,而当速度增大时切削力大于低纤维含量的复合材料。锌合金及复合材料切屑由锯齿状的自由表面和较为光滑的背面组成,锌合金切屑为锯齿带状,而复合材料切屑则为锯齿C状。锌合金及其复合材料切削后表面形貌及刀具磨损机理不同,复合材料加工表面更为粗糙。
【学位单位】：华南理工大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TB33
【部分图文】：

聚合物网络,复合材料,金属,样品

国内外对金属-聚合物三维网络复合材料的研究较多，但主要集中在烧结金属多孔及泡沫金属-聚合物复合材料上[1,14,28-30]。Jhaver 等[1,14]在环氧树脂中加入中空的钠钙玻璃微球并搅拌均匀，将混合后的树脂入真空环境中抽真空到无气泡产生，随后置于室温环境待用，将混合均匀的树脂倒入特制模具内，放入泡沫铝常压浸渗 48 小时即可得到泡沫铝/环氧树脂网络复合材料，合材料的结构如图 1-1（a）所示。Dukhan 等[29]利用注射成型技术向孔隙率为 90%、同孔径的泡沫铝内浸渗聚丙烯制备泡沫铝/聚丙烯网络复合材料，如图 1-1（b）所示，果证明材料的硬度与孔径相关，小孔径能够增加材料的硬度。Liu 等[28]先将孔隙率接 63%的泡沫铝插入到特制模具内，然后分别将熔化的聚丙烯（PE）和环氧树脂（EP）于泡沫铝的顶部，另一端利用真空泵抽负压使得高分子材料浸渗泡沫铝形成泡沫铝/丙烯和泡沫铝/环氧树脂三维网络复合材料。Wegner 等[30]冷压 316L 不锈钢粉末并进烧结后形成多孔预制体，随后在真空环境下室温浸渗丙烯酸树脂后得到不锈钢/树脂三网络复合材料，粉末及树脂基体形状均不规则。

复合材,泡沫,铝合金,微观结构

（a）SiC 泡沫[44]（b）三角形微观结构[44]（c）未镀镍的复合材料横截面[50]图 1-2 SiC 泡沫/A356 铝合金复合材微观结构Fig.1-2 Microsctructure of SiC foam/A356 aluminum IPC挤压铸造工艺仍是制备陶瓷-金属复合材料的重要方法。Moon 等[54]分别利用泡沫复制法（Foam replication, FR）、泡沫涂层法（Foam coating, FC）、孔成型替换法（Pore formingagent, PFA）制备了不同结构的 Al2O3多孔预制体，然后利用挤压浸渗技术挤压浸渗铝合金制备了含 Al2O3体积分数为 5-97 %的三维网络复合材料。Etter 等[55]利用冷等静压技术压制特殊中间相的石墨粉末，随后控制温度使其碳化分解，高温石墨化处理形成了孔隙率为 14.5%的多孔石墨预制体，然后利用间接挤压铸造的方法向石墨预制体内浸渗不同种类的铝合金从而形成石墨/铝合金三维网络复合材料。Scherm 等[56]首先冷压细粒度的带有孔成型剂的 Al2O3陶瓷粉末得到生坯，再烧结生坯得到多孔 Al2O3陶瓷预制体，利用压力铸造的方法向预制体浸渗铝合金 AlSi9Cu3 制备了新型的三维网络复合材料。Chen 等[57]首先用粉末冶金的方法烧结 SiC 粉末制备多孔 SiC 预制体，然后挤压浸渗

曲线,泡沫铝,三维网络,复合材料

同时塑性平台应力随着应变变化出现波动，并且平均值高于泡沫铝，但平台区的长度减小。相关学者也对聚合物/金属三维网络复合材料的弯曲性能进行了探索。Zhang 等[82]从实验和数值模拟上研究了聚乙烯醇/钢铁纤维复合材料的三点弯曲性能，研究表明复合材料的弯曲强度随着纤维含量的增加而增大，并且载荷-位移曲线出现波动。Dukhan 等[29]研究表明注射成型制备的聚丙烯/泡沫铝三维网络复合材料的硬度均大于组分并随着孔径减小而增大，复合材料的弯曲弹性模量和强度均大于基体树脂，并且随着孔密度和铝含量增大而线性增大。（a）泡沫铝未处理的复合材料压缩曲线（b）泡沫铝表面涂有硅烷的复合材料压缩曲线

【参考文献】