环氧树脂基耐磨复合材料涂层已日益广泛应用于工作在浆体冲蚀磨损工况下的工件(如水轮机叶片、渣浆泵、选矿机部件等)表面,作为耐冲蚀保护涂层,以及用于腐蚀、磨损面的修补.由于它具有良好的耐冲蚀磨损性能,并且涂敷工艺简单,成本低廉,无热影响区及变形等,因而具有广泛的应用前景,而进一步提高这类材料的耐磨性则成为亟待解决的关键问题之一.现有研究表明,这类复合材料涂层的冲蚀磨损由树脂基体的磨损和填料颗粒的磨损组成.在扫描电镜下观察磨损面,可以看到基体材料出现塑性变形唇,即基体具有半塑性的冲蚀磨损特性.同时,若基体材料的塑性、韧性较差,当塑性变形量累积到一定程度时,基体就会出现裂纹,并以片状或块状等形式脱落,断口形貌有明显的脆性断裂特征.填料颗粒的磨损主要有两种形式:颗粒的脆性破碎和整体脱落.脆性破碎主要发生在颗粒的尖角部分和薄弱的边缘部分.若填料颗粒的粒形较为圆整,如球形或圆角形,则复合涂层的耐磨性将有所增加.颗粒整体脱落的原因是由于磨损过程中材料表面发生选择性磨损,使填料颗粒逐渐凸出,当填料颗粒与胶体基体的粘接面积减小到一定程度,填料颗粒与胶体基体的粘接强度不足以抵抗磨料的冲击力时,颗粒便会整体脱落.改善环氧树脂基体的韧性以及优化填料结构是提高涂层耐磨性的有效途径.为此,采用聚氨酯预聚体改性环氧树脂为基体,通过添加不同体积分数和不同级配的陶瓷颗粒,制备出一种新型的耐磨复合涂层材料.在自制的冲蚀磨损试验机上对其抗冲蚀磨损特性进行了考察,并与45号钢进行了对比,以期为服役于冲蚀磨损工况下的零件的选材提供试验依据.1试样的制备与试验方法1.1试样的制备工艺用精度为0.1g的天平称取适量改性环氧树脂,并加热至80℃真空脱气2h.用玻璃棒缓慢搅动,同时平缓加入固化剂,加入量为胶体质量的15%,搅拌时间为3min.随后,将其浇铸到温度恒定在80℃的试样模具中,继续缓慢搅拌,待体系初步形成体型胶联时停止.保持该体系在80℃下继续反应3h,然后移至室温条件下进行胶联反应,等24h后脱模,将试样放入干燥皿中保存.复合材料试样共2组:A组添加的颗粒无级配,颗粒粒度为μm;B组添加的颗粒有级配,其中级配颗粒的粒度为μm和μm,级配比例为m∶m=3∶1(质量比).复合材料中陶瓷颗粒体积分数的变化以及试样编号见表1改性对环氧树脂冲击韧性和粘结强度的影响改性环氧树脂与未经改性环氧树脂的冲击韧性ak与粘结强度σ如表2所示.由表2可见:环氧树脂经过聚氨酯预聚体改性后,冲击韧性和粘接强度均有所增加.这是因为改性树脂体系固化后,链接在环氧树脂刚性链段上的聚氨酯预聚体以弹性颗粒状态分散析出,在体系内部形成所谓“海Ο岛”结构,即在刚性的环氧体型构架中分布着弹性基团,从而提高了体系固化后的韧性.同时,由于聚氨酯预聚体结构中有聚酯/聚醚链,它与环氧树脂中的极性脂肪羟基和醚键共同作用,从而提高了体系的粘接强度[4,5].表2改性环氧树脂的性能2由于对树脂进行了改性,提高了环氧树脂基体对陶瓷颗粒的粘接强度,使陶瓷颗粒更难于从基体中脱落,从而起到抗磨骨干作用.由图3b可以看出,尽管因磨料的冲击作用,使得陶瓷颗粒已经破碎,但是由于树脂对颗粒有足够的粘结强度,使颗粒很难从基体中脱落,这对提高复合材料的抗磨性是有益的.对于B组试样,由于在树脂基体中分布着粒径不同的两种陶瓷颗粒,小颗粒填充在大颗粒的空隙中,不仅能提高颗粒在基体中的有效分布体积,亦能保证树脂均匀包覆在陶瓷颗粒表面,这样既不影响树脂对颗粒的粘结强度,又可以提高体系内耐磨颗粒的含量,从而可提高复合材料的耐磨性.因此,B组试样的最佳耐磨性所对应的颗粒体积分数较高(26%～30%),而对于具有单一粒度颗粒的A组试样,其最佳耐磨性所对应的颗粒体积分数较低(22%～25%),且其耐磨性也劣于B组试样.
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