碳纤维增强复合材料的动静摩擦转变研究

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Transition from StatiC to Kinetic Friction of Carbon Fabric。

Reinforce CompositesDeng Linzhang Zhang Peng Cheng Yongqi Sun Yousong Zhu Mingda(School of Materials and Energy，Guangdong University of Technology，Guangzhou Guangdong 510006，China)Abstract：Tribological tests were conducted on carbon fabric/epoxy composites and 45 steel at low velocity，and the in-fluences of sliding velocity，normal load，materials composition on static friction coefficient，kinetic friction coefficient andtransition behaviour from static to kinetic friction were investigated.The results show that static friction coefficient is raisedfirst，then decreased as normal load is increased，and the difference between kinetic friction coeficient and static frictioncoefficient is small，the smallest difference is 0.004，when the weight ratio of MoS2 to graphite is 2：3；Velocity dominatesstatic friction coefficient when the weight ratio of MoS2 to graphite is 2：7.At low speed level，the diference between ki-netic friction coefficient and static friction coefficient is decreased first，and then raised along with the increasing of nor-mal load，stick-slip OCCULTS when the difference is too large。

Keywords：static friction；kinetic friction；friction coefficient；stick-slip；composites碳纤维织物增强树脂基复合材料具有强度高、耐磨性好等优良的机械性能，同时也具有易模压成型的良好工艺性，作为-种重要的自润滑材料广泛用于航空航天、汽车、电子电气、医疗和食品加工等领域。

近年来，人们深入研究了碳纤维织物的制备工艺及配方、纤维改性、树脂、速度、载荷 对碳纤维织物增强树脂基复合材料磨损性能和动摩擦因数的影响。

然而，在机械启动或停止的瞬间，静摩擦和动静摩擦的转变过程对设备运转的连续性和平稳性有着重要影基金项目：国家自然科学基金项目 (51175088)；顺德区重大科技项目 (20100103001)。

收稿日期：2012-12-1l作者简介：邓林章 (1985-)，男，工学硕士，主要从事碳纤维织物增强树脂基复合材料摩擦学应用研究 .E.mail：tkxl0000###163.com. 。

响，极易导致爬行、振荡等现象，造成机械的严重磨损，甚至损坏。国外对动静摩擦转变过程已经有了较深入的研究 ，国内在此方面，特别是碳纤维织物增强树脂基复合材料的动静摩擦转变过程的研究却鲜有报道。

本文作者在自制的实验装置上，研究了低速条件下 (60 mm/min以下)碳纤维织物增强树脂基复合材料与钢摩擦时的动静摩擦转变过程，以及速度和载荷对动、静摩擦因数的影响。

1 实验部分1.1 样品的制备在已有研究的基础上 引，选用3种具有不同成分的样品进行摩擦实验。3个试样的成分组成如表1所示，其中，碳纤维布是日本东丽的产品，I3o0，基体树脂为自制，主要成分为国产 E-51环氧树脂。试70 润滑与密封 第38卷样采用半干法制备，模压成型。

表 1 碳纤维复合材料的成分组成Table 1 Composition of carbon fabric reinforce composites%试样打磨呈矩形，长 19 mm，宽 10 mm。实验前，将试样在360 砂纸上粗磨，800 砂纸上精磨，然后在绒布上抛光。摩擦偶件为45 钢，钢块的工作表面长400 mm，宽70 mm，在磨床上精磨处理。

1.2 实验装置及方法由于现有的摩擦磨损试验机无法测定低速 (1mm/s以下)条件下动、静摩擦因数 ]，本文作者在 自行改造设计的-台摩擦试验机上进行碳纤维织物增强树脂基复合材料动静摩擦转变实验。图1给出了摩擦试验机的结构原理，利用-个定滑轮使竖直运动的万能实验机横梁 8，拉动载物块 1和试样 4在摩擦偶件2上匀速水平滑动。

在每次实验前用丙酮将试样和钢块的工作面擦拭干净，分别施加28，55，110，200，300，370 N载荷将试样紧紧压在钢块工作表面，然后设定万能试验机横梁以30，6，1.2 mm/min的速度拖动试样匀速水平直线运动。记录切向拉力 (F )随时间 (t)变化Tim et/s(a)Sample 1，30mm/minTimet/s(d)Sample2，1.2mm/mtn曲线，最大的的切向拉力即可视最大静摩擦力，静摩擦因数 等于最大静摩擦力与负载 (包括载物块和试样的自重)的比值。实验过程中，每次测试重复3次，结果取平均值。

1.载物块2.摩擦偶件3.试验台4.试样5.钢丝6.定滑轮7.万能试验机夹头8.万能试验机横梁9.传感器l0.数据采集器图1 摩擦试验机结构原理Fig 1 The mechanism of friction tester2 实验结果及讨论2.1 材料组分的影响图2给出了3种试样在不同的速度和压力条件下图2的动静摩擦转变曲线。

可以看出，在相同的速度和压力条件下，试样 1(石墨与MoS：质量分数比为2：3)与试样 2、3(石墨与MoS 质量分数比为2：7)相比，前者动静摩擦因数的差值更小，动静摩擦转变的平稳性较好。但是在30 mm/min时，试样2的动、静摩擦力均小于试样1，如图2(a)，(c)所示。这-方面验证了滑石粉和MoS，可以有效地降低碳纤维织物复合材料的摩擦因数 ，同时也说明动、静摩擦力的大小与二者的差值之间无必然的关系。

Timet/s(b)Sample1，1.2mm/min(e)Sample3，30mm/minTimet/s(C)Sample2，30mm/minTimet/s(f)Sample 3，1.2 mm/min图2 试样在不同载荷和速度下的动静摩擦转变曲线Fig 2 The transition behaviour curves from static to kinetic friction of the samples under diferent load and velocity2013年第6期 邓林章等：碳纤维增强复合材料的动静摩擦转变研究 71此外，对比试样2和试样3可知，铝粉 (A1 0 )的加入导致碳纤维复合材料的静摩擦力增大，进-步加大了动静摩擦因数的差值，引起严重的爬行，如图2(C)，(d)，(e)，(f)所示。

2.2 载荷影响比较图2中55，200，370N 3种载荷下的动静摩擦转变曲线，可以看出，随着正压力的增大，动静摩擦力也随之增大，动静摩擦力之间的差值也有-定的增加。

在1.2 mm/min的速度下，当压力由200 N增至370 N时，试样出现不同程度的爬行，且爬行的严重程度为试样1、2、3依次增大，如图2(b)， (d)，(f)所示。这可能是动静摩擦力之间的差值增大造成的，过大的动静摩擦力差值，会导致试样滑块在由静止开始运动的瞬间产生-个加速度，宏观上表现为滑”，当其瞬时速度大于牵引速度后，又会减速至停止，宏观上表现为 黏”。不断地重复循环，构成黏-滑”运动，即通常所说的爬行 。

图3给出了试样 1在速度为 1.2 mm/min时载荷对动、静摩擦因数影响∩知，在低速条件下，随着压力的增加，试样 1的动、静系数都在变大，但动静摩擦因数的差值却先减畜增大。这表明过大的动静摩擦因数差值或者动静摩擦力差值会导致爬行 引。

Normal load .，图3 试样 1在速度 1.2 ram/rain时，载荷对动、静摩擦因数影响Fig 3 Efect of normal load on kinetic and static frictioncoeficient of sample 1 at velocity of1.2 ram/rain2.3 速度的影响图4给出了静摩擦因数随压力、速度变化的曲线∩知，速度对静摩擦因数有较大的影响。当速度为1.2 rnm/min时，随着压强的增加，试样 1的静摩擦因数随之近似线性增大，试样2的静摩擦因数则呈现出较大的波动性。当速度增大到6 mm/min以上时，随着压力的增大，试样 1的静摩擦因数先增大后减小，试样2的静摩擦因数基本不变。

l-p.1.2 mm/m inu- ，- v，630Ⅻm m，m/mmin0 100 200 300 400Norm al load F。/N(a)Sample1Contact pressurep/M PaNormal load F./N(b)Sample 2图4 静摩擦因数随压力、速度变化曲线Fig 4 Static friction coeficient VS normal load and velocity需要指出的是，当速度降至1.2 mm/min，即使是200 N的载荷 ，试样 2的载物块已经开始出现轻微爬行，随着外加载荷的增加，爬行程度愈发严重，如图2 (d)所示。这种随着速度的减小，压力增大时，出现爬行的现象，验证了当摩擦力变化率与速度变化率比值为负值时，易导致爬行 。

3 结论(1)碳纤维织物增强树脂基复合材料中石墨与MoS 质量分数比为2：3时，复合材料的动静摩擦因数差值较小，最小为0.004，且静摩擦因数受载荷影响较大；石墨与MoS：质量分数为2：7时，复合材料在中低速条件下静摩擦因数稳定，基本不受正压力的影响。

(2)压力和速度都对碳纤维织物增强树脂基复合 材 料 的动 静 摩 擦 转 变 影 响 较 大。速 度 为1.2 mm/min时，碳纤维织物增强树脂基复合材料开始出现爬行。

(3)动、静摩擦力差值过大或者动、静摩擦因数差值过大，将导致爬行，并且动静摩擦力的大小与动、静力差值的大小无必然的联系。

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