Page 109 - 摩擦学学报2025年第4期
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第 4 期 郑占模, 等: 二氧化硅纳米颗粒协同碳纤维增强复合材料防滑和耐磨性能研究 597
验将对不同配比的复合材料开展不同工况下的摩擦 较小. 在改性复合材料的表面元素组成与分布图及EDS
磨损试验. 工况条件如下：在固定转速60 r/min条件 衍射图谱[图3(e)和(f)]中，改性复合材料呈现出分别属
下，开展载荷分别为10、30和50 N的摩擦试验；在固定载 于CF和SiO NPs的碳元素(C)、硅元素(Si)以及氧元
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荷30 N条件下，开展转速分别为60、120和180 r/min(对 素(O)能谱峰；且C、Si和O元素在复合材料中分布均
应相对滑动速度分别为0.05、0.10和0.15 m/s)的摩擦 匀，无明显聚集现象，结果表明CF和SiO NPs在TPU
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试验. 试验均选用蒸馏水作为润滑介质，测试过程中 基体中均匀分布. 以上结果表明，CF和SiO NPs协同
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确保氧化锆和复合材料的接触面完全浸润于水中. 每 改性TPU复合材料制备成功.
次试验测试时间为3 600 s，测试环境温度为25 ℃. 每 2.1.2 复合材料机械性能
组试验重复3次，每次试验需更换新的复合材料和 与纯TPU相比，Si12-CF0复合材料的邵氏硬度略
ZrO 摩擦副，确保试验的可重复性. 有增大，如图4(a)所示. 随着添加SiO NPs含量的减小
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1.4 测试技术和方法 和CF含量的增大，改性复合材料的表面硬度呈现为持
使 用 场 发 射 扫 描 电 子 显 微 镜 (FESEM, JSM- 续增大的趋势. 其中，Si3-CF9复合材料增大到52.66HD，
IT800, JEOL, Japan)附加Ultim Max 65能谱仪(EDS)观 与纯TPU相比增大了21.75%，Si0-CF12复合材料最
测CF粉末、SiO NPs和改性复合材料的微观形貌与EDS 大，为57HD. 表明SiO NPs和CF均能提高TPU材料的
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图谱. 利用共聚焦显微拉曼光谱仪(LabRAM Odyssey, 硬度. 图4(b)所示为改性复合材料的应力-应变曲线，据
HORIBA, Japan)检测碳纤维的拉曼光谱，测试波数范 此得出复合材料的拉伸强度和拉伸韧性，如图4(c)和(d)
围为1 000~3 500 cm ，分辨率为1~2 cm . 使用X射线 所示. 纯TPU的拉伸强度和拉伸韧性分别为57.57 MPa
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衍射仪(XRD, Empyrean, PANALYTICAL, Dutch)检测 和21 149.93 J/m . 添加SiO NPs后，Si12-CF0复合材料
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SiO NPs，CF粉末以及改性复合材料的XRD衍射图 的拉伸强度降低到了10.69 MPa；与之相比，添加CF后
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谱，2θ角测试范围为10°~70°. 利用电子万能材料试验 改性复合材料的拉伸强度持续增大，且随着CF含量的
机(Instron 5 967, INSTRON, China)测定TPU复合材料 增大而增大. 其中，Si3-CF9复合材料的拉伸强大增大
的应力-应变曲线并计算拉伸强度和断裂韧性. 使用动 到了37.09 MPa，增大了246.90%. 随着CF含量的进一
态热机械分析仪(DMA, MDA800, PE, USA)测试TPU 步增大，Si0-CF12的拉伸强度增大到47.64 MPa. 复合
复合材料的储能模量(E')，损耗因子(tanδ)和玻璃化温 材料拉伸韧性与拉伸强度表现出相同的变化趋势. 其
度(T ，损耗因子峰值所对应的温度)，测试频率为2 Hz， 中Si3-CF9复合材料的拉伸韧性为860.95 J/m ，与Si12-
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温度范围为−50~150 ℃，温升速率为1 ℃/min. 使用激光 CF0复合材料相比增大了149.19%. 结果表明，添加SiO
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共聚焦形貌测量显微镜(VK-X1000, KEYENCE, Japan) NPs能够提高复合材料的表面硬度，但也一定程度的
和扫描电子显微镜(SEM, VEGA3, TESCAN, Czech) 削弱了材料的拉伸性能. 分析认为，由于SiO NPs与TPU
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观测复合材料磨痕表面3D形貌和微观形貌. 基体之间的黏附方式为物理相互作用，导致相作用界
面难以有效结合，从而降低了复合材料的拉伸性能.
2 结果与讨论 通过添加高模量，高承载的CF不仅进一步提高了复合
2.1 改性复合材料性能表征 材料的表面硬度，而且有效增强了改性复合材料的拉
2.1.1 复合材料表征 伸性能. 图4(e~f)所示为改性复合材料的动态热机械
图3所示为填料和改性复合材料的SEM照片、EDS 性能. 总体上，Si12-CF0复合材料的储能模量E'始终小
和XRD衍射图谱. 由SEM微观形貌照片可知，SiO NPs 于纯TPU；与之相比，添加CF后复合材料的储能模量
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的粒径约为50 nm[图3(a)]，CF平均长度约为50~100 μm E'急剧增大，在较高温度下(60~140 ℃)仍表现出与纯
[图3(b)]. 在改性复合材料横截面的SEM照片中观测 TPU在20 ℃时相当的水平. 具体表现为储能模量E'随
到表面粗糙且均匀分散的CF[图3(c)]，表明CF与基体 着CF含量的增大而增大，其中Si3-CF9复合材料储能
有较好的界面结合性能. 在XRD图谱中[图3(d)]，2θ等 模量E'提升效果最为显著. 此外，改性复合材料的玻
于25.3°、22.7°和20.6°分别对应着CF、SiO NPs和纯 璃转化温度T 均大于纯TPU (27.67 ℃). 其中，Si3-CF9
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TPU的衍射特征峰；改性复合材料与纯TPU的特征峰 复合材料的玻璃转化温度T 最大，为45.46 ℃，增大了
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基本一致，表明添加剂对TPU基体材料结晶度的影响 64.3%. 以上结果表明，CF能够有效改善复合材料的
