石墨烯對復合材料性能的影響范文

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《熱加工工藝雜志》2016年第三期

摘要：

在齒輪用WC-Co復合材料中添加了不同含量石墨烯，并進行了該復合材料的顯微組織堯耐磨損性和抗熱疲勞性的測試。結果表明：添加10vol%石墨烯，可獲得石墨烯分布較為均勻，且耐磨損性能和抗熱疲勞性能均得到顯著提高的齒輪用復合材料；與未添加石墨烯相比，添加10vol%石墨烯可使200℃磨損體積減小80%，熱疲勞壽命增加209%。

關鍵詞：

復合材料；石墨烯；齒輪；耐磨損性；抗熱疲勞性

WC-Co復合材料是齒輪等行業(yè)常用的一種復合材料，具有較好的耐磨損性[1-2]。但是隨齒輪行業(yè)的發(fā)展以及齒輪技術要求的提高，現(xiàn)有的復合材料難以滿足齒輪的技術需求，迫切需要進行相應的改善和性能提升。石墨烯是一種新型的特殊材料，其特殊的結構堯性能，使其添加到材料中往往具有無可比擬的優(yōu)異性能[3-5]。鑒于此，本文在齒輪用WC-Co復合材料中添加了不同含量的石墨烯，研究了石墨烯含量對齒輪用復合材料顯微組織堯耐磨損性和抗熱疲勞性的影響。

1試驗材料與方法

1.1試驗材料試驗選用工業(yè)級WC堯Co粉和石墨烯，所用WC和Co粉的粒徑分布，如圖1所示。所用石墨烯的掃描電鏡照片，如圖2所示。石墨烯在復合材料中的體積分數(shù)(vol%)分別為0堯5堯10和15。齒輪用復合材料試樣的制備工藝，如圖3所示。試樣的球磨采用PM-40L型行星球磨機，球料比選用8:1，采用HSL6357型真空燒結爐進行試樣燒結。

1.2試驗方法添加了不同含量石墨烯的齒輪用WC-Co復合材料，其顯微組織采用PX-15型金相顯微鏡進行觀察；其耐磨損性能采用MMUD-5B型高溫摩擦磨損試驗機進行測試，測試參數(shù)分別為磨損載荷90N堯相對滑動速度100mm/min堯磨輪轉速250r/min堯摩擦磨損總轉數(shù)2500r堯測試溫度分別為25堯200和500℃，并采用JSM6510型掃描電鏡對磨損表面進行觀察；其抗熱疲勞性能的測試在HG19-SX-5-12型恒溫數(shù)顯箱式電阻爐中進行，在20～500℃進行加熱與冷卻的熱循環(huán)，每個試樣熱循環(huán)至80倍顯微鏡下出現(xiàn)裂紋為止，以出現(xiàn)裂紋的循環(huán)次數(shù)作為試樣的熱疲勞壽命。

2試驗結果及討論

2.1顯微組織分析及討論添加不同含量石墨烯的齒輪用WC-Co復合材料，其顯微組織金相照片，如圖4所示?？煽闯?，隨石墨烯在該復合材料中含量的增加，石墨烯在復合材料中的分布呈現(xiàn)出明顯不同的狀況。當石墨烯含量為5vol%時，由于石墨烯含量較少，在復合材料中的分布難以均勻；當石墨烯含量增至10vol%時，分布較為均勻且無明顯的團聚現(xiàn)象；當石墨烯含量進一步增至15vol%時，出現(xiàn)明顯的團聚現(xiàn)象。

2.2耐磨損性能測試結果及討論添加不同含量石墨烯的齒輪用WC-Co復合材料在25堯200堯500℃測試條件下的耐磨損性能測試結果如圖5所示。可看出，與不含石墨烯的齒輪用WC-Co復合材料相比，添加了石墨烯的齒輪用WC-Co復合材料的磨損體積明顯減小。尤其是添加10vol%石墨烯時的磨損體積減少最多，其耐磨損性提高最明顯。其中，在200℃測試條件下，其磨損體積較不含石墨烯試樣從54伊10-3mm3減小至11伊10-3mm3，減小了80%。由此可看出，在齒輪用WC-Co復合材料中添加石墨烯，尤其是添加10vol%石墨烯時，該復合材料的耐磨損性得到提高。圖6是添加不同含量石墨烯的齒輪用WC-Co復合材料在200℃磨損后的表面形貌?？煽闯觯刺砑邮┑凝X輪用WC-Co復合材料在200℃磨損試驗后，其表面出現(xiàn)較多的脫落，磨損現(xiàn)象較為明顯。而添加了石墨烯的齒輪用WC-Co復合材料磨損試驗后無明顯脫落，磨損現(xiàn)象明顯減輕。尤其是添加10vol%石墨烯時的磨損最輕微，僅有少量磨痕，耐磨損性顯著提高。這與試樣的磨損體積測試結果一致。

2.3抗熱疲勞性能測試結果及討論添加不同含量石墨烯的齒輪用WC-Co復合材料，在20～500℃進行加熱與冷卻的熱循環(huán)，其抗熱疲勞性能測試結果，如圖7所示?？煽闯?，與不含石墨烯的齒輪用WC-Co復合材料相比，添加了石墨烯的齒輪用WC-Co復合材料的熱疲勞壽命明顯延長。尤其是添加10vol%石墨烯時的熱疲勞壽命延長最明顯，其抗熱疲勞性能最好，其熱疲勞壽命從429次增加至1326次，增加了209%。由此可看出，在齒輪用WC-Co復合材料中添加石墨烯，尤其是添加10vol%石墨烯時，可提高該復合材料的抗熱疲勞性能。

3結論

(1)在齒輪用WC-Co復合材料中，添加石墨烯，尤其是添加10vol%石墨烯，可獲得石墨烯分布較為均勻堯耐磨損性能和抗熱疲勞性能均得到顯著提高的齒輪用復合材料。(2)與不含石墨烯的齒輪用WC-Co復合材料相比，添加石墨烯，尤其是添加10vol%石墨烯時，齒輪用WC-Co復合材料的磨損體積明顯減小，耐磨損性能顯著提高；其中添加10vol%石墨烯后試樣在200℃測試條件下的磨損體積減小了80%。(3)與不含石墨烯的齒輪用WC-Co復合材料相比，添加石墨烯，尤其是添加10vol%石墨烯時，齒輪用WC-Co復合材料的熱疲勞壽命明顯延長，抗熱疲勞性能提高。當添加10vol%石墨烯后試樣的熱疲勞壽命增加209%。

參考文獻：

[1]龍堅戰(zhàn)，張忠健，彭文，等.Ni3Al添加量對WC-Co硬質(zhì)合金中WC晶粒形狀的影響[J].硬質(zhì)合金，2013，22(6)：308-315.

[2]，潘，楊智春.復合材料/鋁復合管軸向準靜態(tài)及沖擊壓潰的吸能特性[J].振動與沖擊，2010，19(8)：209-213+253.

[3]席文君，王海靜，李靜.時效對鋁熱法合成的TiC/FeNiCrAl復合材料組織和性能的影響[J].稀有金屬材料與工程，2012，32(S2)：492-495.

[4]胥鍇，劉徽平.亞共晶鋁硅合金自生Mg2Si復合材料的顯微組織研究[J].熱加工工藝，2010，39(12)：80-82.

[5]朱晶波.納米改性減震型導電膠的研究[J].制造業(yè)自動化，2014(1)：70-71

作者：李曉林 單位：包頭鐵道職業(yè)技術學院