1.引言：

       聚合物及其混合物在摩擦設備中的廣泛應用使得諸多學者對聚合物復合材料的摩擦性能進行了研究分析。機械載荷和磨損率決定了聚合物復合材料在設備中的可適性。磨損可以定義為固體表面材料的損耗，是由接觸表面的相對運動所致。磨損的五種主要類型為磨料磨損、粘著磨損、微振磨損、腐蝕磨損和疲勞磨損；其中磨料磨損是五種磨損形式中最為常見也是最重要的一種磨損，占整個磨損類型的63 %。

       聚合物復合材料的磨料磨損常見發(fā)生在土方工程設備、管道、鑿巖、礦石破碎機等設備中。該材料強度高、硬度大、耐磨性好、能夠根據(jù)材料中纖維和基體組份的調(diào)整來改變材料性能。常用于軸承、凸輪、砂輪、葉輪、閘、離合器、傳動帶和齒輪等設備，并收到摩擦載荷作用影響，從而是磨損更加嚴重。而基體中加入填料則增加了載荷承受容量，降低摩擦系數(shù)，改善耐磨性能和熱性能。此外，填料還能降低復合物復合材料的耗費成本。

2.實驗

2.1材料

       基體材料為LAPOXL-12級的環(huán)氧樹脂和K-6室溫固化劑。按照一定的重量百分比將環(huán)氧樹脂、花崗巖和碳化硅填料混合。環(huán)氧樹脂重量百分比不變，通過改變碳化硅填料和花崗巖填料的比例，制備出三種不同組份的復合材料。

2.2三體磨損試驗

       根據(jù)ASTM G-65在干砂輪/橡膠砂輪磨損試驗機上進行三體磨損試驗。在旋轉橡膠砂輪和試樣接觸面處進行磨料進給。試驗中旋轉速度為200 rpm。磨料進給為235±5 g/min。通過失重計算磨損，磨損率（Ks）計算公式如下：

       V是容量損失（m3），L為載荷（N），D為磨削距離（m）。


2.3實驗設計

       本研究利用田口法實驗設計（DOE）。DOE是在不同因子準級下做實驗并同時對多個因子的影響效果進行分析研究。因子是一個對輸出結果有直接影響的變量或參數(shù)。準級是對因子數(shù)值的設置；如表一所示：


       本研究采用L9陣列設計。試驗觀察結果轉化為S/N比。

3.結果和討論

       整個實驗有9組測試3個因子，如表二所示。利用田口法對實驗結果進行分析；影響磨損的顯著參數(shù)如表三所示。


       利用minitab-15軟件進行分析以便找到載荷、材料和磨削距離等不同因子的統(tǒng)計顯著性。表三可以看出：載荷影響最大、其次是距離，材料影響最小。

3.1主效應和交互作用圖


       圖二為minitab-15軟件產(chǎn)生的主效應圖，顯示了三個控制因子及其準級對復合材料試樣的磨損率的影響。當一個因子的不同準級分別影響響應時，就可以觀察到一個主效應。當線條為水平時，沒有主效應；線條傾斜時出現(xiàn)主效應。直線越陡峭，主效應對磨損率的量級就越大。最小磨損率出現(xiàn)在20N載荷、1500m距離處。

       當一個因子的效應依賴另一個因子的準級時，可以用交互作用圖來顯示其交互作用；圖中的平行線則表示沒有交互。線條間斜率差越大，交互程度也就越大。從圖三的交互作用圖可以看出，磨削距離和組份之間的交互作用對磨損率的影響最大。

3.2 變量分析

       ANOVA分析的結果如表四所示。表格最后一列為每個因子對復合材料磨損率的影響比例。


       從表中可以看出，載荷對復合材料磨損率的影響最大，占89.97 %；其次是磨削距離，占5.27 %；組份占據(jù)比例最小，為2.84 %。相關的合并誤差約1.90 %。

3.3載荷、磨削距離和組份對具體磨損率的影響

       圖四可以看出，磨損率隨磨削距離增大而減小，隨載荷增大而增大。與其他兩種組份相比，10 wt%碳化硅填料的G-E復合材料的磨損率相對較低；這是由于材料中填料分布均勻，基體和填料的粘合性較好。


3.4磨損表面形態(tài)

       為更好的關聯(lián)磨損數(shù)據(jù)，在不同載荷下拍攝磨削試樣的SEM照片。圖五、六、七分別為G-E材料和碳化硅填料G-E材料磨損表面的SEM特征圖，載荷為20N和40N。圖五中，G-E材料表面富含樹脂層，空隙和碎屑都比較少。樹脂層很好的改善了粘結性能和表面整體性。G-E材料的磨料磨損要比GE-SiC材料的磨損嚴重，這是由于沒有碳化硅填料的G-E材料基體較軟，受磨削力影響大，硬質(zhì)磨料和軟基體相互接觸摩擦引起基體損壞。


       在20N載荷下GE-SiC材料的表面較為光滑，基體損壞較為輕微且粘結較好；在40N載荷下材料表面較為粗糙，這說明磨損隨載荷增大而增大。

       圖六中5%碳化硅填料的G-E材料顯示出顆粒狀斷裂特征和較淺深度的表面波紋，這是由硬質(zhì)碳化硅顆粒和柔軟的環(huán)氧樹脂基體結合帶來的脆性所致。基體表面光滑，局部區(qū)域出現(xiàn)空白，這是由于磨削距離和載荷增大導致精細磨料破碎所致。

       圖七中10%碳化硅填料的G-E材料顯示出顆粒狀斷裂特征和深度更加淺的表面波紋，這說明由硬質(zhì)碳化硅顆粒和柔軟的環(huán)氧樹脂基體結合帶來的脆性更加明顯。

4.結論

       磨損率隨載荷增大而增大；隨磨削距離增大而降低。10%碳化硅填料的G-E材料耐磨性能要比其他兩個類型的材料要好。

       根據(jù)ANOVA分析，載荷對耐磨性影響最大，占89.97 %；磨削距離對其影響占5.27 %，其次是材料組份，占2.84 %。

       G-E復合材料的磨損表面說明出現(xiàn)了嚴重的基體損壞；而碳化硅填料GE材料的表面磨損則比較輕微，這是由于碳化硅硬質(zhì)顆粒相存在的緣故。