鍍鎳碳纖維增強銅基礦車制動材料制備及性能分析

李雪伍,段世龍,張傳偉,石 甜

(西安科技大學 機械工程學院,陜西 西安 710054)

0 引 言

銅基復合材料具有較高強度、良好耐熱性和優異耐磨性等特點,并且中低溫工況下仍能保持較穩定的摩擦系數[1-2],這些優異性能使其在礦山重載車輛的傳動裝置及制動領域具有廣闊的應用前景。然而,銅基體硬度較低,且高溫工況下易發生軟化,導致材料力學性能下降,制約了其在礦山領域的廣泛應用[3]。因此,對銅基體進行強韌化處理,是提高礦車制動材料力學性能的有效手段和方法。

碳纖維具有高比強度、高比剛度、高耐磨性、較低熱膨脹系數等優點,因此作為極具吸引力的增強材料被廣泛應用于改善金屬基體強度、塑性及摩擦學性能[4-5]。碳纖維不但可以增強基體強度,提高材料抗沖擊韌性,并在摩擦過程中形成碳顆粒從而起到自潤滑效果[6-7]。GRAKOVICH等研究碳纖維增強PTFE復合材料,發現碳纖維對復合材料物理機械性能影響不大,對復合材料摩擦學性能有著突出表現[8]。CAO等通過摩擦攪拌處理制備鋁合金材料,研究發現在基體鋁中加入碳纖維能有效抑制微裂紋成核,且復合材料硬度增加46.8%,磨損量至少降低70%[9]。然而,由于碳纖維表面能較低,與基體間潤濕性較差,導致碳纖維與金屬界面結合性能不佳,同時界面處的簡單機械結合強度較低,且在重載及外力作用下,碳纖維易從基體中拔出,其優異性能無法充分發揮,導致礦車制動試驗結果遠低于預期目標。

碳纖維表面金屬化是一種解決界面結合問題的有效方法[10]。研究人員通過在碳纖維表面生長納米顆粒來提高與金屬基體界面結合性能[11]。DONG等采用表面改性碳纖維增強鋁合金,研究發現經表面改性處理的碳纖維復合材料與Al6061基材相比,硬度提高23.3%,磨損率降低49.04%[12]。WANG等分別制備Cu-Ni-graphite復合材料和銀改性Cu-Ni-graphite復合材料,發現改性復合材料界面得到有效強化,且維氏硬度、抗彎強度均高于未改性材料,從而表現出更佳的耐磨性[13]。

大量研究表明增強體含量、尺寸、分布及制備方法與復合材料性能密切相關[14-15]。然而,基于不同尺度鍍層改性碳纖維對礦車制動銅基復合材料性能影響與作用關系的相關文獻鮮有報道[16]。文中采用放電等離子燒結技術制備CF/Cu復合材料,并通過試驗系統討論鍍鎳碳纖維長度對復合材料微觀結構及力學性能的影響。同時,進一步通過有限元數值模擬及分析,研究碳纖維長度對復合材料力學性能與應力場分布的影響及作用規律,論文研究對于新型礦車制動耐磨復合材料的設計與研制奠定了理論和試驗基礎。

1 試驗材料與表征

1.1 試驗材料

試驗所需球形制動銅粉(粒徑：500目;純度：99.9%)購自復梵五金有限公司,其微觀形貌如圖1(a)所示。從圖1可以看出,銅粉呈圓球狀,且粒徑分布均勻,其直徑約為10～50 μm,同時表面干凈無雜質。試驗用T700級碳纖維長絲基本參數見表1,其他材料和具有分析純等級的試劑均購于阿拉丁試劑公司。

表1 試驗用碳纖維性能參數Table 1 Performance parameters of CF for experiment

1.2 試驗過程

試驗采用經鍍鎳處理后的碳纖維,鎳層采用傳統化學鍍方法,步驟為除膠、粗化、活化、敏化、化學鍍。試驗用不同銅基復合材料成分見表2,配料過程中,首先將碳纖維在無水乙醇中超聲分散30 min;然后,將銅粉加入懸浮液,采用玻璃棒攪拌得到均勻混合漿液,進一步將漿液置于80 ℃真空干燥箱中5 min;最后,將制備粉末樣品裝入圓柱形石墨模具(內徑為25 mm),在SPS-3.20MKⅡ型放電等離子燒結設備中進行燒結,制備過程中設置溫度為850 ℃,升溫速率為85 ℃/min,燒結壓力為50 MPa,保溫時間為10 min,即可得到CF/Cu復合材料。上述復合材料制備過程如圖1(b)所示。

表2 試驗用不同銅基復合材料成分Table 2 Different compositions of copper matrix composites used in experiment

1.3 試驗表征

采用掃描電子顯微鏡(SEM,ZEISS Gemini 300)觀察碳纖維及復合試樣表面微觀形貌,借助X射線能譜儀(EDS)對碳纖維及復合材料微區成分進行表征,通過X射線衍射儀(XRD,Rigaku Ultimate Ⅳ)對燒結材料物相展開分析,以準確獲得銅基制動材料組成,其試驗條件：Cu靶、40 kV電壓、40 mA電流、10°～80°掃描角度、掃描速度為5°/min。采用HVS-1000Z型數顯顯微硬度計表征試樣硬度,其施壓載荷為9.8 N,施壓時間為15 s,分別在每個樣品表面施加5個壓痕,然后取平均值為最終硬度值。采用UMT-3多功能摩擦磨損試驗機對復合材料摩擦系數、磨損率展開分析,其試驗條件：常溫環境,對摩材料為10 mm直徑Si3N4陶瓷球,載荷為3 N,滑動速度為10 cm/s,摩擦往復行程為5 mm。最后,借助ANSYS仿真軟件分析不同長度CF/Cu復合材料應力場分布。

2 結果與討論

2.1 微觀形貌

圖2表示碳纖維表面微觀形貌及斷面元素線掃描。從圖2(a),(b)可以看出,未鍍鎳碳纖維表面較為光滑平整。圖2(c)表示鍍鎳碳纖維表面微觀形貌,可以看出,碳纖維表面被鎳鍍層包覆,且鍍層較為均勻致密,但鍍鎳后碳纖維表面變得粗糙,表明鍍層后碳纖維能有效改善纖維與基體界面結合性能,即在摩擦磨損過程中能有效將載荷通過界面傳遞至碳纖維,使碳纖維成為受力承載體[17-18]。但是,碳纖維表面部分區域出現團聚現象,表現為大小各異的“結狀瘤”,這可能是由于Ni與C相互擴散結合的結果?！敖Y狀瘤”的出現一方面有利于增加碳纖維質量,在混料過程中促進碳纖維彌散分布。另一方面有利于增加碳纖維表面粗糙度,從而有效提升比表面積,并促使碳纖維與基體通過機械互鎖增強界面結合能力[19]。進一步從圖2(d)所示的鍍鎳碳纖維截面形貌圖可以看出,鍍鎳后碳纖維表面變得粗糙,且直徑有所增大,其表面鎳鍍層厚度約為439 nm,同時鎳鍍層與碳纖維之間結合較為緊密,無明顯空隙,表明鎳與碳纖維并非簡單機械結合[20],這可能是由于碳纖維表面金屬化過程中Ni與C相互擴散,從而改變其界面結合方式。

圖2 碳纖維表面微觀形貌及斷面元素線掃描結果Fig.2 Surface morphology of carbon fiber and line scan result of cross-section element

為進一步觀察鍍鎳碳纖維的界面微觀結構,對其斷面進行元素線掃描,結果如圖2(e),(f)所示,可以看出,碳纖維斷面主要包含C,Ni,O 3種元素,且沿線掃描方向界面處元素含量發生變化,在1～2 μm處碳含量呈線性增加,鎳含量則逐漸降低。對于6～7 μm位置,碳含量呈線性降低,鎳含量則逐漸增加,上述元素含量變化位置對應鎳鍍層與碳纖維界面結合區。進一步觀察發現,碳纖維和鍍層之間元素含量變化過程連續,未出現元素變化斷層現象,表明碳纖維與基體結合緊密,無分層缺陷。同時從圖2(f)可以看出,碳纖維被鎳鍍層包圍,燒結過程中可有效抑制碳纖維與基體發生反應。此外,O元素的出現主要是由于鍍鎳后,表面涂層在大氣中發生氧化形成氧化膜所致[21],這在后續碳纖維斷面元素面掃描測試中進一步得到驗證。

圖3表示碳纖維斷面微觀形貌、EDS及元素面掃描測試結果。如圖3(a)所示,鍍層Ni與碳纖維結合緊密,碳纖維被鍍層完整包覆,鍍層Ni緊實沉積在碳纖維表面,且無明顯分層特征。鍍鎳碳纖維截面中C,Ni元素分布如圖3(c),(d)所示,觀察發現碳纖維表面Ni元素分布均勻致密,并呈圓環狀圍繞在C元素周圍,且與C元素分布相匹配。圖3(e)表示鍍鎳碳纖維表面O元素分布,可以看出,O元素與Ni元素分布較為一致,并呈圓環狀,且分布相對不均勻,同時O元素含量遠低于Ni元素。

圖3 碳纖維斷面微觀形貌、EDS及元素面掃描結果Fig.3 Micro-morphology,EDS and element surface scanning results of carbon fiber section

圖4表示不同長度碳纖維增強銅基復合材料SEM圖。從圖4(a)可以看出,基體表面較為光滑,但部分區域出現孔洞現象。從圖4(b)可以看出,條紋狀碳纖維彌散分布于基體中,且纖維分布方向與壓制方向無明顯聯系,同時碳纖維呈孤立狀態存在于基體中,且未出現明顯團聚及纏繞缺陷。這可能是由于碳纖維長度較短,并且鍍鎳后碳纖維質量有所增加,表面共價鍵轉變為金屬鍵,減弱了碳纖維之間的吸引力,使其能夠與基體更好地結合[22-23]。從圖4(c)可以看出,當碳纖維長度增加至2 mm時,銅基制動材料表面碳纖維取向隨機,并“釘扎”于基體中,且表面無明顯孔洞及縫隙,僅部分區域出現輕微碳纖維聚集區。這是由于鍍鎳碳纖維與基體具有較好界面結合能力,碳纖維在加壓燒結過程中有助于氣體排出,從而減小孔洞和縫隙的產生[24-25]。上述研究表明分散良好的鍍鎳碳纖維可有效促進基體致密化[26],同時驗證了SPS燒結技術用于礦車制動金屬復合材料制備的可行性[27]。此外,隨著碳纖維長度的進一步增加,材料表面出現明顯團聚和纏繞特征,同時出現孔洞、縫隙等缺陷,如圖4(d)所示。這是由于碳纖維和銅比重相差較大,隨著碳纖維長度增加,混粉時不易攪拌均勻,出現纖維堆積,從而導致靜置烘干時碳纖維與銅粉出現分層缺陷。此外,在燒結壓制過程中,復合材料以銅顆粒為作用點和支撐點形成3點彎曲彈性變形,且隨碳纖維長度增加,單根碳纖維上參與的銅顆粒數越多,彈性變形程度越嚴重,內應力也越大,燒結過程和脫模后發生的彈性后效越大,最后導致CF/Cu復合材料內部結構疏松,出現孔洞、縫隙以及纖維斷裂等現象[28-29]。

圖4 不同長度碳纖維增強銅基復合材料SEM圖Fig.4 SEM images of CF reinforced copper matrix composites with different lengths

2 mm碳纖維增強銅基復合材料表面元素分布如圖4(e)～(h)所示?？梢钥闯?復合材料主要由Cu,C,Ni元素組成,C元素主要來自于碳纖維,并呈圓狀和線條狀均勻分布于基體中,且未出現明顯團聚及纏繞缺陷,這表明碳纖維混粉時不易發生團聚。同時,Ni元素分布與C元素較為一致,呈點狀和條紋狀圍繞于C元素周圍,這表明鍍鎳碳纖維在與銅粉混合燒結過程中對碳纖維Ni鍍層損傷較小[30]。此外,基體中可見零散分布的Ni元素,這可能是由于混粉與超聲震動過程中鍍在碳纖維表面細小的鎳顆粒脫落至銅基體中造成的。

為進一步確定銅基復合材料物質組成,分別對不同長度碳纖維增強銅基復合材料進行X射線衍射分析,結果如圖5所示。從圖5可以看出：①添加碳纖維前后銅基復合材料衍射峰相似,均表現出明顯銅的強衍射峰,表明鍍鎳CF/Cu復合材料具有較高的結晶度;②XRD衍射圖譜中未檢測到CuO衍射峰,這可能是由于材料氧化現象不明顯,同時受限于CuO含量較低,儀器未能有效檢出所致[31];③XRD衍射圖譜中未檢測到C和Ni特征峰,這可歸因于較少的碳纖維添加量和較薄的鍍層厚度;④圖中未檢測到碳化物,一方面證明了制備和燒結過程中碳纖維未與基體發生反應生成新物相,另一方面進一步證實了Ni鍍層的完整性,即碳纖維被鍍層緊密包覆[32]。

圖5 不同長度碳纖維增強銅基復合材料XRD圖譜Fig.5 XRD patterns of CF reinforced copper matrix composites with different lengths

2.2 力學性能測試

不同長度碳纖維增強銅基復合材料硬度測量結果如圖6(a)所示,可以看出,未添加碳纖維時,材料硬度為70.42 HV,添加1 mm碳纖維后,材料硬度有所增加,其值為75.68 HV。同時,隨著碳纖維長度的增加,復合材料硬度呈現先增高再降低的趨勢,這是由于：①碳纖維是一種高比剛度、高比模量的增強體,燒結過程中碳纖維能夠有效與銅基體相結合,并彼此錯位搭成骨架“釘扎”于基體中,且分布均勻,無明顯團聚發生,對基體起到彌散強化作用[33];②燒結過程中由于鎳鍍層的存在,阻止界面有害物質相形成,從而增強復合材料硬度。當碳纖維長度為2 mm時,復合材料硬度最大,達到80.22 HV,這是由于隨碳纖維長度的增加,碳纖維骨架作用明顯,使得銅基體有效連接一起,增強了復合材料的連續性和塑性變形阻力,故當受外力作用時,碳纖維在基體內部表現出較好的協調性。因此,一定范圍內,隨著碳纖維長度的增加,復合材料硬度呈現增大趨勢。然而,當碳纖維長度增至3 mm時,復合材料硬度下降至76.88 HV,這歸因于：①燒結過程中,由于碳纖維較長,且在基體中亂序交錯,造成碳纖維偏聚成團,故在復合材料中的流動性變差,阻礙銅原子與其他生成化合物分子的流動性,使得復合材料在燒結過程中出現孔洞、縫隙等缺陷,從而復合材料致密性降低,孔隙率增加,最終導致復合材料硬度呈現下降趨勢;②由于碳纖維分布取向的不確定性,在纏繞狀態燒結成型時,容易造成碳纖維斷裂,無法起到分散與傳遞載荷的作用,進而影響復合材料強度。

圖6 不同長度碳纖維增強銅基復合材料力學性能Fig.6 Mechanical properties of CF reinforced copper matrix composites with different lengths

不同長度碳纖維增強銅基復合材料摩擦系數如圖6(b)所示,可以看出,試驗初期銅基體摩擦系數波動較大,且摩擦系數高達0.47,這是由于經燒結的純銅材料硬度較低,故耐磨性較差。碳纖維的加入可有效降低復合材料摩擦系數,且摩擦系數波動較為平穩,表明碳纖維的加入可有效改善制動材料摩擦磨損性能。此外,隨著碳纖維長度增加,CF/Cu復合材料摩擦系數呈先降低后增高的趨勢。當碳纖維長度較短時,復合材料抗拉強度較低,碳纖維對復合材料增強效果不佳,且摩擦磨損過程中裸露于基體表面的碳纖維較少,導致摩擦過程中潤滑不足,使得材料表面溫度升高,基體出現軟化,表面發生塑性變形,剝落情況較為嚴重[34]。當碳纖維長度增至2 mm時,復合材料摩擦系數降至最低值0.36,這是由于碳纖維與石墨性能相似,具備自潤滑特性,故摩擦磨損過程中裸露基體表面的碳纖維在摩擦力作用下被擠壓碾碎鋪展于磨損表面形成碳顆粒[35],并進一步演化形成碳膜,從而起到潤滑作用,使得復合材料減摩效果較明顯,故該條件下復合材料摩擦系數呈下降趨勢。當碳纖維長度增至3 mm,復合材料摩擦系數逐漸增大,這是由于隨著碳纖維長度的增加,其在基體中團聚現象愈加明顯,且基體表面部分區域出現孔隙,導致復合材料強度降低,弱界面增多,摩擦磨損過程中碳纖維脫落數量較多,造成局部不均勻磨損,進而摩擦系數增大。

圖6(c)表示不同長度碳纖維增強銅基復合材料磨損量,可以看出,基體材料磨損量最大,約為4.08×10-5mm3/N·m,這是由于燒結純銅材料硬度較低,摩擦磨損過程中基體軟化,摩擦系數波動幅度較大,導致基體磨損加劇。碳纖維能有效降低復合材料磨損率,這歸因于碳纖維自身優異性能,碳纖維的加入對基體起“釘扎”作用,束縛了銅基體變形,減少與摩擦副發生黏著磨損傾向,從而降低復合材料磨損量[36]。隨著碳纖維長度進一步增加,復合材料磨損量呈現先降低后增大的趨勢,且當碳纖維長度增加至2 mm時,復合材料磨損量最低,約為1.53×10-5mm3/N·m。這是由于2 mm碳纖維能均勻彌散于基體中,且無明顯團聚現象,并與基體有較好的界面結合能力,從而有效增強復合材料摩擦磨損性能。另一方面,碳纖維硬度高于純銅,摩擦過程中碳纖維有效承載部分載荷,對基體起到保護作用,從而提高復合材料耐磨性。當碳纖維長度增至3 mm時,由于碳纖維長度較長,基體中碳纖維出現明顯團聚,且部分區域出現孔隙缺陷,導致復合材料強度降低,并在摩擦過程中出現碳纖維脫落現象,造成復合材料磨損量增加。

2.3 力學性能數值模擬

2.3.1 CF/Cu復合材料模型構建

現有金屬復合材料有限元模型多采用二維軸對稱模型以及單一增強體三維模型,然而上述2種模型簡化過于理想,沒有考慮纖維與纖維之間的相互影響以及不規則排布,從而忽略很多關鍵影響因素。文中研究的CF/Cu復合材料中短切碳纖維隨機分布于基體中,因此宜采用隨機序列吸附方法(Random Sequential Adsorption,RSA)生成隨機碳纖維,如圖7(a)所示為建立的碳纖維隨機分布三維模型。為使復合材料具有較大變形,將模型一端固定,另一端加載反向載荷或反向位移。因此,實際模擬過程中,模型加載情況為：在銅基體模型平行于Y=0的左平面上固定,在Y軸右平面上施加位移載荷。應用ANSYS軟件對模型進行網格劃分,碳纖維增強銅基復合材料制備過程中表面經鍍鎳處理,其在變形時基本不會出現相對滑動,因此設置碳纖維與銅基材的接觸類型為Bonding類型(無相對滑動),軟件劃分結果為56 900網格數,148 900節點數。

圖7 Von Mises應力等值線Fig.7 Von Mises stress contour

2.3.2 單向拉伸下模擬結果應力場分析

圖7(b)表示Y軸方向單向拉伸載荷對應未加入CF/Cu復合材料內部的Von Mises等效應力云圖,可以看出,模型大部分被淺藍色覆蓋,其等效應力值約為136.85 MPa,同時在遠離受力面的4個角落產生應力集中現象。從圖7(c)可以看出,加入2 mm碳纖維后復合材料在施加相同位移量情況下,基體中應力分布均勻性被打破,且模型表面大部分為淺藍色,該條件下等效應力值為119.5 MPa。這是由于短切碳纖維與銅基體彈性模量不同,破壞銅基體的各向同性與均勻性特點,從而打破了應力分布均勻性。此外,碳纖維及周邊基體承受的應力分布比銅基體高出一個數量級,故表現出的力學性能提升較為明顯。

不同長度碳纖維增強銅基復合材料Von Mises等效應力應變切片云圖如圖8所示,圖中所選切面為Z軸方向50 mm處,可以看出,Y軸方向上施加相同拉伸位移條件下,隨碳纖維增強體尺寸的變化,復合材料應力應變均產生明顯變化。同時,在碳纖維與基體結合處都存在應力集中現象。進一步通過對比發現,1 mm CF/Cu復合材料應力集中最大,其最大應力值約為194.07 MPa,碳纖維長度為2 mm時最大應力值最小,約為178.21 MPa,3 mm CF/Cu復合材料最大應力值約為182.93 MPa。研究還發現復合材料在同一外加應變載荷下,增強體拉伸方向(水平向右)應力遠高于基體,表明材料在變形過程中有較明顯應力分配現象,且碳纖維表面應力高于兩側基體。這是由于碳纖維彌散分布改變了銅基體的各向同性,當受到拉伸載荷時,碳纖維承受了一部分載荷,并阻礙了金屬材料變形,從而導致復合材料具有更高的強度。此外,隨著碳纖維長度的增大,材料內碳纖維上應變載荷逐漸減小,低應變區域分布于基體/纖維界面附近,這是因為在質量分數相同的情況下,纖維越長,與拉伸力方向一致的纖維數量越少,其與基體接觸面積增大,界面附近的基體合金需要承受更高的應力集中。通過以上觀察分析可知,碳纖維長度為2 mm時,界面結合相對較好,該條件下碳纖維對復合材料拉伸性能改善最有利。

圖8 Von Mises應力應變云圖Fig.8 Von Mises stress-strain cloud chart

3 結 論

1)鍍鎳碳纖維與銅基制動材料具有較好的界面結合強度,且鍍層與碳纖維之間結合較為緊密,無明顯分離缺陷。同時由于碳纖維與銅基體之間的物理與結構性能差異,碳纖維增強銅基復合材料變形具有不協調性,但碳纖維對銅基體具有明顯的增強效果。

2)當鍍鎳碳纖維長度為1 mm時,制動材料硬度為75.68 HV,且隨碳纖維長度的增加,復合材料硬度呈現先增加后降低的趨勢。當碳纖維長度增至2 mm時,碳纖維與基體混合較為均勻,無明顯團聚現象,其復合材料硬度達到最大值80.22 HV。但當碳纖維長度達到3 mm后,碳纖維出現纏繞與團聚現象,導致復合材料硬度下降。

3)碳纖維長度的增加對復合材料強化具有明顯促進作用,但纖維長度超過2 mm后,復合材料產生較大應力集中,且應力集中分布區域增多。綜合考慮不同長度鍍鎳碳纖維增強材料的微觀形貌、顯微硬度、摩擦系數、磨損率、拉伸數值模擬及相關影響規律與機理可知,當碳纖維長度為2 mm時,制動材料綜合性能最優。