对比PA树脂，CF/PA复合材料的耐磨性能更有优势

　　聚酰胺树脂，又名尼龙，是业界公认耐磨性比较好的特性塑料，工业上将尼龙树脂与碳纤维组合在一起，可以制备出强度、刚度、热稳定性和摩擦性能都非常出色的CF/PA复合材料。现实中，CF/PA复合材料已经有了一定的应用方向，比如航空航天、汽车制造等行业。本文中，智上新材料将结合专业论文数据，介绍CF/PA复合材料在耐磨性方面的性能优势，根据论文观点找出耐摩擦效果更好的碳纤维和尼龙体积占比。

　　实测不同载荷力和滑动频率下CF/PA复合材料的耐磨效果

　　选择室温环境下，保持湿度在30~45%，选用纯PA树脂试样和不同碳纤维体积占比（10vol%、20vol%和30vol%）的CF/PA试样。对所有试样进行表面抛光处理，再用丙酮超声清洗，测试前再进行干燥处理。测试中，设定测试仪器往复摩擦距离5mm,载荷力范围0~16N,摩擦频率范围0~12Hz,测试不同条件下的摩擦系数、摩擦损伤体积，推导出合理的摩擦损伤模式。

　　CF/PA复合材料的耐磨性能实测结果

　　1、9N载荷力和4Hz摩擦频率下的摩擦系数数据：在9N载荷力和4Hz摩擦频率条件下，记录1600s滑动时间内的数值。发现纯PA试样的摩擦系数随着时间增加而迅速增大；20和30vol%的CF/PA复合材料试样的摩擦系数呈现抛物线形状，随时间增加而增大；10vol%的CF/PA试样摩擦系数随时间增加先增大，然后下降到稳定状态，随后又突然增大。

　　2、不同摩擦频率和载荷力下的摩擦系数数据：在相同的往复滑动频率4Hz下，纯PA试样和不同体积占比的CF/PA试样的摩擦系数随着载荷的增加而增加；在相同的载荷力9N下，纯PA试样和不同体积占比的CF/PA试样的摩擦系数随着摩擦频率的提升而减小。

　　对比纯PA试样，加入碳纤维后的CF/PA试样的摩擦系数整体所有降低，其中20vol%CF/PA复合材料试样的摩擦系数最低。碳纤维的本质是碳原子，与石墨相同，碳纤维可以分解成石墨晶体，自身具备较好的润滑性。摩擦频率提升，碳纤维分解的石墨晶体增加，形成润滑膜薄层，导致摩擦系数降低；而载荷力的提升会导致摩擦过程中复合材料的局部温度上升，引发的粘附效应会增加摩擦系数。

　　3、4Hz摩擦频率和不同载荷力下的摩擦损伤体积数据：以4Hz为基础，发现纯PA试样和不同体积占比CF/PA试样的摩擦损伤体积随着载荷力的提升而增大，但增大的频率存在一定差异。10和20vol%占比的CF/PA试样的提升缓步提升，而30vol%占比的试样在9~15N载荷力范围内突然大幅提升。另外对比纯PA试样和不同体积占比的CF/PA试样，20vol%体积占比的试样摩擦损伤体积最小，纯PA试样最大。

　　4、9N载荷力和不同摩擦频率下的摩擦损伤体积数据：以9N载荷力为基础，发现纯PA试样和不同体积占比CF/PA试样的摩擦损伤体积同样随着摩擦频率的提升而增大，增大的频率几乎相同，无明显差异。对比不同体积占比的CF/PA试样，20vol%体积占比的试样摩擦损伤体积最小，而纯PA试样最大。

　　5、摩擦损伤表面电镜扫描结果显示：纯PA试样（图a）有明显微裂纹和剥离，CF/PA试样（图b、c和d）这种情况较少，甚至没有，说明碳纤维的加入，显着的降低了摩擦磨损的可能性。10vol%体积占比的CF/PA6试样（图b）在纤维和树脂的薄弱点有微裂纹，说明低含量的碳纤维的耐磨性较弱；而20 vol%体积占比的CF/PA6试样（图6c），摩擦磨损较少，碳纤维有效支撑了载荷力，防止碳纤维和树脂的剥离；30vol%体积占比的CF/PA试样（图d）基体有一个垂直于滑动方向的大裂纹，这是邻近填料分离后形成的。

　　通过对比测试发现，碳纤维的引入，对于尼龙树脂来说，可以强化整体的耐磨性能，减少摩擦损伤体积，另外在碳纤维20vol%体积占比下整体的摩擦性能的下降效果更好。通过各项数据对比，发现载荷力和摩擦频率对摩擦性能的影响刚好相反，而粘附和塑性变形是导致摩擦损伤的主要机制。通过深入研究，发掘性能的本质，才是打开热塑性碳纤维走向究极应用大门的钥匙，智上新材料将于更多的同行一起进步。

　　本文涉及论文来源：https://doi.org/10.1177/0892705708103397