玻璃纤维_环氧树脂复合材料的粒子冲击磨损研究.pdf

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1、第卷第期年月复合材并学报人常玻璃纤维环氧树脂复合材料的粒子冲击磨损研究姜秉元洛阳工学院,摘要本文研 究了玻纤环载复合材料的拉子冲击磨损问题。结果表明随拉子冲击速度的增加,材杆的磨损率呈指数增加随拉子冲击角度的增加,材朴的磨损率先增加,在附近出现 最大值,然后下降,在。、内磨损曲线呈时称分布磨损率还 与材杆 中纤维取向有关,当纤维与磨面平行时,材抖的衬磨性 最低,当纤维与磨面垂直时,材针的衬磨性最高。关健词玻璃纤维,环载树脂,拉子冲击磨损介引言由于纤维增强复合材料具有一系列的庄能特点而受到许多工业部门的重视磨擦系数低,耐磨性高是其主要特性之 一。现在,许多机械设备、运输工具上的耐磨件用复合材料制

2、造。以前,关于复合材料的常规摩擦磨损间题,已做了不少工作,但对其在粒子冲击条件下的磨损却研究很少。粒子冲击磨损是材料在含有硬的固体粒子的气流和水流等的冲击下而产生的磨蚀过程。这种磨损在实际工程中是经常遇到的,如船舶和直升飞机的螺旋桨,汽轮机的叶片等,。这种磨损给国民经济带来的损失和危害是很大的。因此,粒子冲击磨损,特别是新型复合材料的这种磨损的研究具有很重要的工程价值和理论意义本文采用工程中常用的玻璃纤维环氧树脂复合材料在含氧化铝微粒的高速气流 的冲击下,研究了冲击粒子的速度,冲击角度以及复合材料的纤维取向对材料磨损率的影响得出一些重要结果。实验部分试样粒子冲击磨损试样由玻璃纤维 环氧树脂复合

3、材料板切割而成。其增强纤维为平行 排列诊的单向长丝,体积含量为帕。试样为火的长方体。在试 样切割中,使纤维方向分别与试样磨面法线成,和的夹角。本文吐年 月日收到,试脸研究工作在美国维奇托州立大学完成复合材料学报第卷一一一一一一一食位试验用冲击粒子磨粒材料为氧化铝微粒,型,粒子平均直径为林方法粒子冲击磨损试验在专用的试验机上进行。其主要工作原理是由空气压缩器产生的高月艺内内压气流经压力控制系统与粒子流混合,再经一喷嘴喷射到试样上。高压气流的流速和粒子的流量都是可控的试样可通过载物台在。“内转动,以使试样磨面和粒子喷射方向成所需角度试样在磨损试验之前和以后都要用清洁的高压空气清理干净,并用分析天平

4、称重,以测得较准确的磨损数据。试验之前,试样待磨表面都经过精细抛光。结果与讨论往子冲击璐度的形晌图 为粒子冲击速度对玻纤环氧复合材料粒子冲击磨损率。的影响试样的纤维方间与磨面平行,冲击角为。毒毛工冲蚀率。民只纵横坐标名称对调玻璃纤维聚丙烯 铝合金钦合金玻纤尼龙不锈钢、已桥柳二凡尸、卜幼。砚、侧细拍处飞速度。八肛图粒子冲击速度对玻纤环氧复合材冲蚀率的影响图粒子冲击速度对几种常用材料冲蚀率的影响粒子冲击速度对材料冲击磨损率的影响很大。对一般材料,二者存在如下关系“式中,为材料常数,速度指数在。到之间变化,其中延性材料 值较低,脆性材料值较高。对式取对数得则,材料冲蚀率的对数与粒子冲击速度的对数成线

5、性关系。图 示 出了粒子冲击速度对几种材料的冲蚀率的影响。从图 可看出,随冲击速度的增加,玻纤环氧复合材料的冲蚀率显著增加,二者的对数曲线也存在较好的线性关系,曲线的斜率为,也在、的范围内。可见,粒子冲击溥度对复合材料冲击磨损率的影响与一般材料有着相同的规律言争第期姜秉元玻珑纤维 环氧树脂复合材料的粒子冲击磨损研究习另外,由图还可看出,复合材料玻纤尼龙的磨损 曲线位于不锈钢和铝合金等金属材料之上,在其增强材料玻纤和有机树脂聚丙烯之间,且靠近后者。研究表明,玻纤环氧和玻纤尼龙复合材料的性能比较接近。可见,复合材料的耐粒子冲蚀性比铝合金等金属材料要差一些,但比其脆性增强材料要好得多,与基体树脂相当

6、。因此,在有机树脂中加入脆性的增强纤维可使其强度等性能大大提高,而使其耐粒子冲蚀性能降低甚小社子冲击角度的影晌粒子冲击角度对材料冲蚀率的影响也很大,且影响关系比较复杂单质材料图为韧性材料铝和脆性材料玻璃的粒子冲击角对冲蚀率影响的典型曲线二延性材料冲蚀率随粒子冲击角的增加,表现为先激剧增大,后缓慢减小,呈准 抛 物线状。在”之间,冲蚀率出现极大值。大量研究表明,硬质粒子对延性材料的冲蚀是一个掠射切削过程,当粒子撞冲材料表面时,其锋利的棱边像切削刀具一样把材料 从 表面 刮去。扫描立体摄影技术已显示出这种由于切削而形成的屑片。很明显,在冲击角很小与磨面接近平行和很大,与磨面接近垂直时,这种刮削作用

7、都很小,只有以适当角度、冲击时,其切削作用才最大。脆性材料的冲蚀率随冲击角的增加而单调增加,在附近出现最大值这是因为脆 性材料与延性的冲蚀机理完全不同。试验表明,硬质粒子撞击在脆性材料表面时,在粒子周围形成一个半径略大于粒子半径的环形裂纹且从表面向内部张开,形成喇叭形。粒子的进一步撞击,裂纹相互作用形成碎片,从表面剥落,造成磨损。接触过程的赫兹应力分析表明,在接触区的表面沿半径方向存在着最大拉应力,这是造成环形裂纹的力学条件。显然,随粒子冲击角的增大由。到,在垂直于磨面方 向的正应力分量增加,造成环形裂纹 的 接公公了了了了了了户户尸几几几姗形任乞韶、村之食泥解烈曰八八盆浑、以全鉴角 度协图粒

8、子冲击角度对铝和玻璃冲蚀率的影响,图粒子冲击角度对玻纤 环氧复合粒子直为卜,运动速度为材料冲蚀率的影响触应力也增加,材料的冲蚀率也增大,在附近出现最大值。复合材料粒子冲击角对玻纤环氧复合材料冲蚀率的影响如图所示。其中,粒子的运动 速 度为,材料的纤维方向与磨面平行。由图可以看出,随冲击角的增加,材料的冲蚀率也是单调增加的,在。附近出现最大位,其总的变化趋势与脆性材料相同图。由于本试验所用复合材料中脆性组分玻纤复合材料学报第卷占了绝大部分呱,使材料呈现出与脆性材料相似的磨损规律。和用玻纤尼龙复合材料进行粒子冲击磨损试验,也得出相同的结果。但是,复合材料和脆性 单质材料磨损曲线的斜率变化情况差别较

9、大,脆性单质材料在。、范围内变 化都比较 缓慢、而复合材料在小角度范围”变化非常小,超过这一范围,斜率激剧增大,超过。以后又慢慢减小这是由于延性的基体树脂在此角度范围、。受粒子刮削作用随冲击角增加而激剧增大的缘固冲击角对一般材料磨损率的影响关系可用以下方程表示 们“,入叹叨一姗月母如果材料是完全脆性的,如 果材料是完全韧性的,。有机复合材 料 是脆性和韧性的复合体,本工作将此方程用于玻纤环载复合材料,根据实验数据进行回归处理,取刀,在人二,时的计算结果和试验结果一起示于图,二者符合得很好可见,式也可用于复合材料。万拼扭位向的形晌玻纤环氧复合材料的纤维取向对粒子图。扩。,冲击磨损率的影响关系示于

10、图中其中,玻纤环暇复合材料冲蚀率的计算结果与试验结果曲线上 的比较一之一,泞泞丫丫言三划阻、舞租斗介】石馨度图玻纤环氧复合材料的纤维取向与磨面法线图玻纤 环氧复合材料在纤维不同取向情况夹角对冲蚀率的影响下的磨面硬度粒子的运动速度为,粒子冲击方向与试样磨面垂直。由图知,随复合材料的纤维与磨面法线之间的夹角的增加,材料的磨损率逐渐 增大,在。附近纤维与磨面平行最大,在。附近纤维与磨面垂直最小。因在。时,粒子的冲击方向与材料抵抗外力破坏最弱的方向一致,而在。时,粒子的冲击方 向与材料最强的方向一致的本工作还测定了复合材料在纤维与试样磨面法线成不 同角度时磨面的硬 度图,随此角度的增大,硬度值降低,在

11、。材料最强方向最高,在材料最弱方向最低,与磨损率的变化规律图是相吻合的第期姜秉元玻璃纤维环氧树脂复合材料的粒子冲击磨损研究育结论玻璃纤维环氧树脂复合材料的粒子冲击磨损率,随粒子冲击角度的增大呈指数增加,随粒子冲击角的增加,材料的磨损率也增加,在有最大值,在、范围内磨损曲线呈对称分布磨损率还与复合材料的纤维位向有关,当纤维与磨面平行时,材料的磨损率最高,耐磨性最低当纤维与磨面垂直时,材料的磨损率最低,耐磨性最好参考文献姜秉元机械工程材料,口,皿,。,魂,口,粉了叱五姐一,了,盆二,协上接第页在“军转民”方面,人注意发挥其最具竞争力的领域先进计算机及模拟技术、生物技术、先进材料以及环境科学研究。例如具有世界最先进的计算机能力,它的积成计算机网络所具有的计算机能力相当于台一计算机。可以把。的数据存于万个文档之中,而 且其中呱可在秒种之内取出来。这一储存系统目前正在商业化关国国防部正计划在年用亿美元来加速国防技术的商业化过程。国防 部声 称“发展和采用两用技术是防务转变的总战略,向各机构提供资助是克林顿总统宣布的国防战略转变的一部分,以达到在为商业领域发展新技术同时保护美国国防工业基础。”并要求更多地使用民用技术,以期在加快武器研制同时削减费用。国防部高级研究计划局负责抓军民两用技术。在财年高级研究计划局将投斑“亿美元,以资助公司和大学发展,项军民两用技术,这些两用技术被认为既能满