钢背/碳针织物自润滑复合材料衬层传动螺母制备与性能研究

摘要

重载螺旋副是成形装备重要组成部件，它虽然具有结构简单、增力比大的优点，但其摩擦损失大、传动效率低的特点却严重制约着成型装备的进一步发展。近年来，随着各种耐磨减摩材料的涌现，钢背衬碳纤维自润滑复合材料因其高比强度、易成型、优良的机械强度和摩擦性能等优点而逐渐成为重载摩擦副材料的一大发展方向。
　　目前，由于成型工艺复杂，碳纤织物成型困难，采用螺旋面织物纤维铺放工艺制备的钢背衬碳纤维增强环氧树脂基复合材料螺母，未能在工程实际中广泛应用;而采用短切纤维完全替代碳纤织物并通过注射成型制备的螺母自润滑衬层机械强度欠佳，影响螺母传动效率。本研究采用螺旋状单层碳纤维针织物通过半干法整体成形，同时在环氧树脂基体中添加短切碳纤维作为二次增强体以注射成型方式对针织物复合材料衬层进行补胶后高温固化制备螺母自润滑衬层。
　　实验采用的复合材料试样配方中环氧树脂50％，固化剂12.5％，稀释剂2.5％，增塑剂5％，二硫化钼5％，石墨3.25％，滑石粉8.25％，短切碳纤维13.5％。通过对比真空处理及短切纤维对碳针织物复合材料机械性能影响的实验结果表明，真空处理使其树脂百分含量提高21.8％，其冲击强度达19.6 KJ/m2，相对未真空处理试样提高9.6％;压缩强度达293.4MPa，相对未真空处理试样提高6.1％，比未添加短切纤维试样提高11.5％。
　　研究了不同载荷，不同速度和不同润滑条件下复合材料摩擦磨损性能。试验证明在两种润滑条件下，载荷F=500～2500N范围内摩擦过程经历粘着磨损、粘着磨粒磨损、磨粒磨损和疲劳磨损四个阶段，摩擦系数均随载荷增加而降低;载荷F=500～1000N，转速n=150～750r/min时，复合材料摩擦系数随转速的增加而下降，n=750r/min时其摩擦系数均为0.06左右，碳纤维针织物复合材料在较大摩擦转速条件下仍能保持良好的摩擦性能。通过SEM、EDS图谱分析表明，F=2000N时摩擦偶件试环表面形成一层较薄的复合材料转移膜，重载工况下表现出优良的摩擦磨损性能。在此类复合材料衬层制品脱模方面，与无脱模剂和润滑脂为脱模剂复合材料衬层试样相比，采用铸造石蜡为脱模剂试样脱模力分别下降98.0％和91.6％，而衬层收缩率下降83.8％和62.6％，试样表面完整，质量较好。
　　采用钢背衬碳纤维针织物复合材料螺母的注射成型装置，铸造石蜡辅助脱模制备了碳纤维针织物增强复合材料螺母。对比了复合材料螺母与铜螺母传动效率，结果表明这种新型复合材料螺母具有优良的耐磨减摩性能。油润滑条件下，Q=750N时，相对铜螺母其当量摩擦系数μf下降25％，传动效率提高了20％，相对短切纤维注射成型螺母其传动效率提高56.5％; Q=1200N时，相对铜螺母其当量摩擦系数μf下降14.3％，其传动效率亦可提高13.4％，相对短切纤维注射成型螺母提高26.4％。
　　采用碳纤维针织物网状骨架为增强体，短切碳纤维作二次增强相，以石墨、二硫化钼、滑石粉等为自润滑组分，并采用对孔注射补胶成型制备的传动螺母，在克服了制作工艺复杂的缺点同时不仅提高了其机械力学强度，更保留了承载能力大、摩擦性能优、传动效率高的特点。这种新型钢背碳针织物自润滑复合材料衬层传动螺母的顺利开发对机械成型装备的寿命提高及节能减排具有深远意义。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究背景

1．2 课题研究目的及意义

1．3 国内外研究现状

1．3．1 碳纤维／环氧树脂基复合材料制备及力学性能研究

1．3．2 纤维织物增强树脂基复合材料摩擦磨损性能研究

1．3．3 复合材料脱模工艺研究

1．3．4 钢背衬碳纤维织物复合材料螺母研究

1．4 本课题来源及主要研究内容

1．4．1 课题来源

1．4．2 主要研究内容

1．5 本章小结

第二章 复合材料制备及测试方法

2．1 实验材料及仪器

2．1．1 材料准备

2．1．2 纤维预处理及树脂胶体制备

2．1．3 碳针织物复合材料制备

2．1．4 实验仪器

2．2 机械力学性能测试

2．2．1 冲击强度测试

2．2．2 压缩强度测试

2．2．3 复合材料树脂百分含量

2．3 摩擦性能测试

2．3．1 摩擦系数及温升

2．3．2 磨痕表面扫描及体积磨损量测量

2．4 物理性能表征

2．4．1 冲击、压缩断口及摩擦试样扫面电镜测试

2．4．2 金相显微镜及能谱分析

第三章 碳针织物自润滑复合材料力学及摩擦性能研究

3．1 引言

3．2 碳纤维针织物复合材料力学性能研究

3．2．1 原材料和样品制备

3．2．2 真空处理对力学性能影响

3．2．3 添加短切纤维对力学性能影响

3．3 碳纤维针织物复合材料摩擦磨损性能研究

3．3．1 稀油润滑下载荷及转速对复合材料摩擦磨损性能影响

3．3．2 脂润滑条件下复合材料摩擦磨损性能

3．3．3 添加短切纤维对复合材料摩擦磨损性能影响

3．3．4 磨痕表面形貌及磨损机理分析

3．4 复合材料衬层工件脱模工艺研究

3．4．1 脱模原理

3．4．2 实验结论与分析

3．5 本章小结

第四章 复合材料衬层传动螺母制备及效率测试

4．1 引言

4．2 复合材料传动螺母制备

4．2．1 Tr32×8型针织物复合材料工艺螺母成型

4．2．2 63T螺旋精压机复合材料衬层螺母制备

4．3 螺母效率测试

4．3．1 效率测试装置

4．3．2 测试原理

4．3．3 针织物复合材料螺母-钢质螺杆效率测试

4．3．4 测试结果及分析

4．4 本章小结

结论与展望

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

声明

致谢