玻璃纤维增强树脂磨具复合材料的制备及性能研究

梁宝岩，杨本勇

（中原工学院，郑州450007）

树脂磨具在各种磨削加工中获得广泛应用［1－2］.树脂磨具的主要特点是自锐性好、不易堵塞 、加工效率高、加工表面粗糙度小，但耐热性差、强度低、损耗比较快.为了改善树脂磨具的性能，比如强度、硬度和耐磨性等，需要添加适量的辅助材料，也称之为填料，常见的无机非金属填料有氧化锌和氧化铬.

填料的种类对磨具的性能有一定的影响.通过调整氧化锌等填料的组成或添加适量新型填料，可显著改善树脂磨具的使用性能.科研人员进行了大量的研究工作，比如彭进、孙保帅、高涛等分别在原料中添加适量的纳米氮化硅和纳米二氧化硅，显著改善了树脂磨具的力学性能和耐热性［3－5］.

虽然上述氧化物添加剂可显著改善树脂磨具的使用性能，但这些添加剂都是纳米材料，原料价格比较昂贵，并不适合于工业化规模生产，因此应考虑成本廉价的新型填料.玻璃纤维是一种纤维状结构功能材料，具有强度高、化学稳定性好、分散性好、耐高温、绝缘性好、烧失量低、吸油率低等特点.将玻璃纤维用于工程塑料改性，显示出耐高温性、耐高热性、耐腐蚀性能，良好的机械强度、电绝缘性、高强度、高弹性模量、高硬度等优点，因此，玻璃纤维成为了一种塑料改性的新型功能性增强增韧材料［6－8］.

本文通过在酚醛树脂基体中掺杂玻璃纤维以提高树脂磨具的力学性能，从而增加树脂磨具的使用寿命.

1 实 验

1.1 原材料

粒度170目的棕刚玉；粒度200目的酚醛树脂；纯度99%、粒度300目的铜粉；粒度200目的分析纯氧化锌；粒度200目的分析纯三氧化二铬；直径10μm、长度50～200μm的玻璃纤维.玻璃纤维形貌如图1所示.

图1 玻璃纤维形貌图

1.2 树脂磨具的制备

表1是不同原料配方表.其中试样1为传统的树脂磨具配方，不含玻璃纤维.以试样1中氧化物混合料为基础，用玻璃纤维替代氧化物，其他试样中玻璃纤维的体积含量逐渐增加，从试样2到试样8，替代氧化物混合料的玻璃纤维的体积含量分别为10%、20%、30%、40%、60%、80%、100%.按表1中配方进行配料，充分研混后过筛，放入条形模具中热压成型，压制温度180℃，时间30min，压力100MPa，脱模后试样的固化工艺为180℃／4h.

表1 原料配比

1.3 分析与测试仪器

油压机；弯曲强度实验仪；洛氏硬度计（HR50）；DHG－9240A型电热恒温鼓风干燥箱；扫描电子显微镜.显现得更加明显.

图2 试样的弯曲变形－弯曲应力变化关系示意图

2 结果与讨论

图2所示是试样的弯曲变形与弯曲应力的变化关系示意图.从图2中可以发现，当不掺杂玻璃纤维时（曲线1），试样变形量仅约为0.41mm，载荷为389N时发生了断裂.当替代氧化锌与氧化铬的玻璃纤维的体积含量为20%时（曲线3），试样的变形量和断裂前的载荷值均显著增加，分别达到0.57mm和762N.当取代氧化铬与氧化锌的玻璃纤维的体积含量为80%时（曲线7），试样的变形量和断裂前的载荷值分别增至最大，达到0.67mm和779N，与不掺杂玻璃纤维的试样相比分别提高了65%和100.2%.当全部用纤维作为无机填料时（曲线8），试样变形量与载荷值有所下降.这可能是由于纤维比粉体颗粒更难于烧结，当纤维替代全部颗粒做填料后，必然导致烧结活性下降，试样的致密度下降，因此材料的力学性能也相应下降.

此外，在位移－应力变化曲线上还可以观察到一个明显的现象，即位移大约在0.4mm左右时，掺杂纤维的曲线存在一个拐点，而该点正是没掺纤维试样断裂的位移处，这种拐点在纤维含量高时（曲线7和8）

从以上结果可知，由于玻璃纤维的补强机制，显著增强了试样承受外力的能力，并体现在位移与应力变化关系曲线上.

图3所示为各试样的弯曲强度变化图.从图3可以看到，不掺杂玻璃纤维的试样1的弯曲强度值仅为9.9MPa，而当替代氧化铬与氧化锌的玻璃纤维的体积含量达到20%时，试样的强度上升到20.6MPa，是未掺杂玻璃纤维时的一倍多；而且掺杂玻璃纤维的试样的强度值均高于不含玻璃纤维时的强度值.当替代氧化铬与氧化锌的玻璃纤维的体积含量达到80%时，试样强度值达到最大值22.8MPa，相比未掺杂玻璃纤维的试样的强度约提高了128.9%.

掺杂玻璃纤维的试样的强度并不是简单地随玻璃纤维掺杂量的增大而增大，而是先增大后减小再增大，呈M型.玻璃纤维增强效果首先促进了复合材料的强度增大，并在掺杂量达到一定程度后，出现最大强度.对于只以玻璃纤维为填料而制备的试样，填料的纤维形貌增加试样的固化难度，不可避免地会在试样中产生一定的空隙，从而降低试样的强度，如图3中的最后一个实验点（试样8）所示.同样的，当用部分氧化物替代玻璃纤维时，氧化物的颗粒形状容易促进复合材料的固化，从而改善材料的强度，因此，试样7的强度大于试样8的强度.

图3 各试样的弯曲强度变化图

图4所示为各试样的洛氏硬度（HRC）值变化图.从图4可见，不掺杂玻璃纤维时试样硬度值仅为9.5，当掺杂少量玻璃纤维时试样的硬度值显著提高.掺杂20%的玻璃纤维（试样3），试样硬度值达到23.1HRC，提高了143.1%，是所有试样中硬度最高的.试样的硬度曲线随纤维掺杂量的变化虽然也呈M型，但和弯曲强度相比存在明显的差别.试样3的硬度值是所有试样中最大的，其他试样的硬度增加效果并不明显.这可能是由于玻璃纤维和氧化物粉体填料的硬度相差不大，因此只有添加适量纤维才能获得最佳效果.

图4 各试样的硬度变化图

从以上结果可知，添加玻璃纤维对试样的力学性能具有显著改善作用.纤维对复合材料的增强增韧机制一般有3种：纤维脱粘、纤维拔出和纤维桥接［9］.纤维脱粘是指纤维脱离基体，并产生新的表面.纤维拔出是指靠近裂纹尖端的纤维在外应力作用下沿着它和基体的界面滑出的现象.裂纹桥接是指对于特定位向和分布的纤维，裂纹很难偏转，只能沿着原来的扩展方向继续扩展.通过这3种机制，会使裂纹发生弯曲和扭转，从而起到显著的增强机制.正是纤维有如此多的增强机制，树脂材料的力学性能才会发生如此明显的改善.

3 结 语

本文采用玻璃纤维替代传统无机非金属填料（氧化锌与氧化铬）应用于树脂磨具.研究结果表明，添加玻璃纤维后，试样的强度、硬度均有不同程度的提高，最大分别提高128.9%和143.1%.

［1］邹文俊.有机磨具制造［M］.北京：中国标准出版社，2001.

［2］Cook B A，Yudin V E，Otaigbe J U.Thermal Properties of Polyimide Foam Composites［J］.Journal of Materials Science Letters，2000，19（21）：1971－1973.

［3］彭进，侯永改，张琳琪.金刚石磨具纳米Si3N4改性聚酰亚胺树脂结合剂研究［J］.金刚石与磨料磨具工程，2008，28（1）：57－60.

［4］孙保帅，彭进，邹文俊.纳米SiO2改性酚醛树脂结合剂耐热性能的研究［J］.化学工程师，2009，22（9）：4－6.

［5］高涛，王永庆，姚春燕，等.光敏树脂结合剂砂轮结合强度的研究［J］.金刚石与磨料磨具工程，2003，23（3）：29－31.

［6］刘凯，陈斌，戴剑雄，等.环境因素对玻璃纤维增强环氧树脂基透波复合材料性能的影响 ［J］.工程塑料应用，2010，38（10）：64－66.

［7］尹志娟，王丽雪，姜珊.玻璃纤维增强环氧树脂基复合材料的低温性能研究［J］.黑龙江工程学院学报，2010，24（1）：29－32.

［8］张宏军，周晓东，戴干策，等.玻璃纤维增强乙烯基酯树脂复合材料的增韧［J］.高分子材料科学与工程，2005，21（3）：21－27.

［9］李荣久.陶瓷－金属复合材料（第二版）［M］.北京：冶金工业出版社，2004.