树脂基纤维防磨涂层在钢构件磨损条件下的力学性能研究
姚翔宇
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姚翔宇,. 树脂基纤维防磨涂层在钢构件磨损条件下的力学性能研究[J]. 交叉科学研究,2024.5. DOI:10.12721/ccn.2024.157022.
摘要: 本课题主要根据芳纶织物涂层在施工过程中与内部嵌套钢结构的磨损问题作为研究背景,通过自制抗磨损涂层减小对于钢结构本身的摩擦磨损,并对芳纶织物的防磨损涂层耐磨性、常温拉伸强度、拉伸形变等涂层工程性能测试力学性能进行研究。
关键词: 芳纶织物;防磨损涂层;力学性能
DOI:10.12721/ccn.2024.157022
基金资助:

1.防磨损涂层的摩擦系数测试

通过观察和测量划痕的宽度来计算摩擦系数。M200摩擦磨损试验机作为实验器材。主要分为:试件装夹,加载,开机,实验[1]。在装夹的过程中,首先需要松开螺栓,将试样放到夹槽中,然后使试样块与试样环保证接触一个面,加载的时候通过,压缩弹簧实现力的大小的控制;开机时保证低速200r/min运行;实验的时候可以适量的加润滑油,保证机器有效运转。最后通过记录标尺上的数字,读出摩擦数据。

2.抗磨损涂层的摩擦实验

2.1 涂覆软袋的涂层的磨擦实验

首先取已经涂覆好的一体化软袋,套覆在标准芯管的外侧,另一侧用弹簧拉力秤锁住软袋的拉绳,保证软袋能够匀速缓慢的滑动,在滑动过程中,同时记录弹簧拉力器的最大的示数,一组软袋样本测试五组,取平均值作为滑动摩擦力值。

2.2 涂覆纤维的涂层的摩擦实验

取涂覆完毕的单丝30cm,结成长度相等的两段,一段用于直接拉伸,读取记录数据F1,另一端用胶固定芯管的一端,主体部分缠绕在芯管上,另一端用弹簧拉力秤绑定,保证单丝在芯管表面上不能搭接,弹簧拉力秤匀速缓慢拉动,直到单丝被拉断,记录拉断过程中最大的弹簧拉力秤的示数F2,最终将摩擦力F=F2-F1,进行平行测试30组,以确定对于单丝的摩擦力F。

3 涂覆防磨损涂层软袋力学性能

3.1断裂拉伸强度测试

常温下,采用Instron公司的万能拉力试验机对软袋断裂强度进行测试[2],采用自制的三辊连动的夹具,对于软袋进行固定,选取样件长度150mm,加载预张力50N,加载速度20mm/min,进行拉伸。在整个过程中,需要尽量避免软袋的滑移,否则会导致拉伸断裂的强度不准确,同时记录下拉伸强度与位移的曲线,取芯软袋的断裂强度需要完全满足>1500N的性能指标。

3.2 软袋的形变性测试

通过2500mm软袋垂直加载的方式对软袋的受力变形情况进行了测试[3],事实表明经纬编织结构、涂覆之后的涂层与韧性的Kevlar纤维共同影响了软袋的变形性,初始预张力为20N,拉伸速度为30mm/min,至拉力为100、200、300N时停止拉伸,记录力-位移曲线,计算软袋形变量。

3.3力学性能测试

对不同涂层磨损前后的芳纶纤维,按标准《高模量单丝材料拉伸强度和杨氏模量测试方法》[4],进行单丝拉伸强度的测试。剪取一段长度为约20cm的Kevlar29单根纤维,在明亮的光源下抽出Kevlar29的单丝,长度在30mm左右,并用101胶水将其固定在镂空尺寸为20*10mm的固定尺寸坐标纸上,使单丝处于悬挂于长为20mm的空档处这样就做出了一组实验样品。本实验中,纸框的标距选为20mm,并保证单丝在坐标纸的空隙上是保证一定的张力状态。

由公式(1)计算单丝拉伸强度:

图片1.png (2-2)

1.png

每组的单丝保证了不少于30组的平行实验组,所以我们认为芳纶纤维的单丝拉伸的破坏强度,满足于Weibull分布,则有:

图片2.png (2-3)

2.png

其中生存概率P与断裂破坏概率F(σf)的关系则可用公式(2-3)来表达:

图片6.png (2-4)

对(3)式两边取自然对数,得到:

图片3.png (2-5)

其中,断裂破坏概率F(σf)可由以下方法计算:

图片4.png(2-6)

式中 N——所测Kevlar29单纤维的总根数;

n——在拉伸应力σn下断裂的根数。

把芳纶单丝的拉伸断裂强度σi,按递增的顺序进行记录,将lnln[1/(1-F(σf ))]和lnσf拟合一条直线Y=A+BX,通过拟合可以计算得到斜率和截距,斜率B=β,而有关于截距σ0有:

图片5.png (2-7)

4.磨损对于涂覆单丝的拉伸强度的影响

将涂覆后芳纶纤维缠绕在钢结构上进行30次往返的磨损[5],并对磨损后的纤维进行单丝拉伸强度测试,并对其进行统计强度计算。由实验可知经磨损30次后三种不同涂层纤维的统计强度分别为4.05GPa、3.84GPa、4.07GPa、3.99GPa。其强度保持率分别为87.69%、83.33%、88.17%、86.51%,与未涂覆芳纶纤维经磨损30次后纤维强度下降到3.29 GPa相比,四种不同结构的涂层都起到一定程度的防磨损的目的,其强度保持在85%以上,远高于原芳纶纤维的71.37%的强度保持率。

5. 氟碳涂层的浓度对于拉伸强度的影响

5.1氟碳涂层的浓度对于织物拉伸强度的影响

分别制备氟碳涂层浓度为8%、9%、10%、11%、12%共五个实验组,将氟碳涂层固化到织物上[6],然后在芯管上磨损次数定为10次。浓度为10%的氟碳涂层在磨损之后的拉伸性能是最高的,拉伸强度F=2746.7N,也说明在浓度小于10%时,随着浓度的升高,涂层的抗磨损性能还是增加的,表现出的拉伸强度也在增大,但是当浓度大于10%时,拉伸强度还是有所下降,主要是因为浓度过大,出现了织物的涂层的板结,实际磨损时,涂层并没有起到抗磨损的作用,反而在前处理的时候,对于织物的力学强度的损伤,当浓度达到12%时,拉伸强度F=2375.2N,与浓度为10%的拉伸强度相比,拉伸强度下降了14.5%,所以浓度提升反而下降了拉伸强度。

6.结论

(1)对于四种涂层涂覆完成的织物,对于单丝、织物,在不同的磨损强度之下,进行常温拉伸强度、拉伸形变、耐磨性的比较,综合评价,认定氟碳涂层为最佳的涂层

(2)用不同浓度的氟碳涂层,对于织物的拉伸强度、拉伸形变进行表征,不同浓度也对于单丝的拉伸强度进行了表征,最终确定当w(FC)%=10%为最佳的配比,对于涂覆到芳纶纤维上的抗磨损性能,综合比较起来是最优异的。

参考文献

[1] 马保吉,朱均. 芳纶纤维增强酚醛树脂摩擦材料的磨损机理研究[J]. 摩擦学学报, 2011, 21(3): 215~219.

[2] 鄢泰宁, 补家武, 吴翔. 试论月球表面钻探取样的难点与关键技术[J]. 地质科技情报, 2004, 23(4): 12 ~14 .

[3] 陈乐. 世界芳酰胺纤维的需求情况[J]. 化工新型材料, 1989, (9): 20~26.

[4] You L F,Wang C. Surface modification of polytetrafluoethylene film by air plasma [J].Journal of He Nan Institute of Engineering, 2010, 22(1): 55.

[5] 熊涛,孙刚,孟庆义.航天器总装中的数字化工厂技术[J]. 航空制造技术, 2010, 23: 97~100.

[6] 边俊峰, 栗付平.等离子体改性芳纶织物与氟橡胶的粘接[A]. 颜鸣皋, 韩雅芳 , 等 .第四届先进材料技术研讨会论文集[C]. 北京: 材料工程编辑部, 1997: 274~276.

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