金屬-超高分子量聚乙烯復(fù)合材料的制備工藝

1、金屬-超高分子量聚乙烯復(fù)合材料的制備工藝第2O卷第5期Vo1.2ONO.5?湖北工業(yè)大學(xué)學(xué)報JournalofHubeiUniversityofTechnology2005年1O月Oct.2005文章編號10034684I2005)10007503一金屬一超高分子量聚乙烯復(fù)合材料的制備工藝夏露,黃晉,張友壽(湖北工業(yè)大學(xué)機械工程學(xué)院,湖北武漢430068)摘要通過預(yù)制金屬基體.采用模壓成型方法,采取二條不同的工藝路線進行金屬一超高分子量聚乙烯復(fù)合材料的制備.找出了金屬一超高分子量聚乙烯復(fù)合材料的最佳制備工藝.關(guān)鍵詞復(fù)合材料;預(yù)制;金屬基體;模壓中圖分類號TG174.464文獻標識碼:A超高分子

2、量聚乙烯(UltraHighMolecularWeightPolyethylene簡寫為UHMWPE)最初由西德的赫斯特(Hoechst)公司于1958年研發(fā),是一種價格適中,性能優(yōu)良的熱塑性工程塑料口.由于其強度低,導(dǎo)熱性差,熱變形溫度低,在實際應(yīng)用中一般采用復(fù)合技術(shù)3來達到改性的目的.但在機械行業(yè)中,其強度和導(dǎo)熱性仍然不能滿足使用要求.同時,UHMWPE在我國出現(xiàn)較晚,成型加工上的特殊性也限制了其推廣應(yīng)用速度7.金屬材料強度高,導(dǎo)熱性好,但耐磨性,耐腐蝕性等不如UHMWPE.如果將這兩種低成本而性能截然不同的材料結(jié)合在一起,形成一種復(fù)合材料,將會充分發(fā)揮各自的優(yōu)越性.為此,本文通過大量的實

3、驗,對金屬一UHMwPE復(fù)合材料的制備工藝進行研究,找出了該復(fù)合材料的最佳成型工藝,并對所制備的復(fù)合材料進行了性能測試.1實驗材料及方法1.1實驗材料金屬基體(本實驗為普通灰鑄鐵,HT150);UHMWPE,300萬分子量,北京助劑二廠生產(chǎn).1.2金屬-UHMWPE復(fù)合材料的制備金屬一UHMWPE復(fù)合材料的制備包括金屬基體的成型和復(fù)合材料的制備.1.2.1金屬基體的成型金屬基體的成型是制備該復(fù)合材料的關(guān)鍵技術(shù)之一.其制備流程如圖1所示.壟竺塑圭莖堡竺H堡墮堡而舌纏繞砂芯塑H塑H壘笪H墮型圖1金屬基體制備流程要將金屬基體與uHMWPE牢固結(jié)合在一起,按常規(guī)的方法首先應(yīng)對金屬基體表面進行預(yù)處理,預(yù)

4、處理過程復(fù)雜,而且復(fù)合材料的結(jié)合強度比較低.本研究是在金屬基體生產(chǎn)過程中,在其表面形成”拉勾”結(jié)構(gòu)(如圖2所示),利用”拉勾”結(jié)構(gòu)將金屬基體與UHMWPE牢固結(jié)合起來.其優(yōu)點在于,制備復(fù)合材料之前無須對基體表面進行預(yù)處理.因此,既簡化生產(chǎn)工序,降低生產(chǎn)成本,又不會造成環(huán)境污染,還解決了長期以來基體材料與涂層的界面問題.80圖2成型后的金屬基體示意圖1.2.2金屬-UHMWPE復(fù)合材料的制備工藝采用模壓成型方法,在金屬基體表面壓制uHMWPE耐磨層(厚度小于5ram),形成金屬一UHMWPE復(fù)合材料.實驗采取2條工藝路線來制備復(fù)收稿日期20050510作者簡介夏露(1971一).女.湖北武穴人.

5、湖北工業(yè)大學(xué)講師.工學(xué)碩士.研究方向:金屬材料及復(fù)合材料.+f76湖北工業(yè)大學(xué)學(xué)報2005年第5期合材料.工藝路線分別如下:工藝路線1:預(yù)壓一燒結(jié)一加壓一保壓一冷卻一脫模.工藝路線2:預(yù)熱一預(yù)壓一燒結(jié)一加壓一保壓一冷卻一脫模.2實驗內(nèi)容2.1復(fù)合材料的制備鑒于UHMWPE的導(dǎo)熱性差,在工藝路線1中分別采取了連續(xù)升溫和階梯升溫兩種燒結(jié)方式,加壓壓力為8MPa.制備工藝如表1,2所示.由于該復(fù)合材料是以金屬為基體,其強度主要由金屬基體的力學(xué)性能決定,可根據(jù)需要選擇合適的金屬基體材料來保證強度足夠.本文主要對制備的復(fù)合材料進行了耐磨性和導(dǎo)熱性測試,模擬軸承的使用狀態(tài),將鉆床進行改裝,在載荷100N,

6、轉(zhuǎn)速為480r/min的條件下,對制備的復(fù)合材料進行耐磨性和導(dǎo)熱性測試.對磨材料選用45鋼,Ra為(6.312.5)”m.測試時間為10h,從(0300)min(5h)內(nèi)每20min測量一次磨損量,到10h時再測量磨損量;導(dǎo)熱性測量通過改裝的熱電偶測溫儀從(010)h隨時記錄溫度變化.衰1第1種工藝路線的復(fù)合材料連續(xù)升溫制魯工藝3實驗結(jié)果與討論注:T為復(fù)合材料進爐的溫度分析表1結(jié)果后,階梯升溫中固定T初一124,改變預(yù)壓參數(shù)和燒結(jié)參數(shù).衰2第1種工藝路線的復(fù)合材料階梯升溫制魯工藝在實施第2條工藝路線時,參考了前面的實驗結(jié)果,固定了預(yù)熱(160,20min),預(yù)壓(6MPa)和加壓(8MPa)工

7、藝參數(shù),探討了燒結(jié)參數(shù)對復(fù)合材料成型性的影響.工藝如表3所示.衰3第2組工藝路線的復(fù)合材料制魯工藝編號燒結(jié)參數(shù)1112131415190.80min260.80min260.80min200.180min200.150min表1,2,3中的壓力均為壓力機顯示的壓力數(shù)據(jù);帶號均為為實驗成功的工藝,并且為驗證該工藝穩(wěn)定性,重復(fù)做5次實驗,結(jié)果表明工藝穩(wěn)定,性能可靠.2.2復(fù)合材料的性能測試3.1性能測試結(jié)果通過上述工藝實驗分析,實驗編號為6,10,15的3組工藝均可制備出透明,光滑的UHMWPE耐磨層,且復(fù)合材料界面結(jié)合緊密.將該3種工藝條件下制備的復(fù)合材料分別進行了性能測試.結(jié)果表明:三者的耐磨

8、性和導(dǎo)熱性相差不大.在本實驗條件下,從(060)min期間磨損處于跑合期,復(fù)合材料的磨損量隨時間的延長而不斷增大,隨后進入一個穩(wěn)定階段,磨損量較前一階段要小得多,一直到300min都是如此,然后直接到10h,再測磨損量時,發(fā)現(xiàn)依然處于穩(wěn)定階段,總的磨損量為0.098mm.性能測試結(jié)果還表明,復(fù)合材料的溫度隨著磨損時間的延長而緩慢升高,但溫升速率呈現(xiàn)不斷下降趨勢.前60min內(nèi)溫度變化較明顯,溫升為2;從(60300)min溫升為1.7;從5h到10h時,溫升只有0.3.當磨損時間達到10h時,總溫升為4.5.3.2工藝實驗結(jié)果工藝實驗結(jié)果分析表明,實驗編號為6,10,15的3組工藝均適合制備金

9、屬一UHMWPE復(fù)合材料,但從性能,經(jīng)濟性,操作的復(fù)雜性等方面綜合分析,第6種工藝,即預(yù)壓(6MPa)一燒結(jié)(T初一178,195/3.5h)一加壓(8MPa)一保壓一冷卻一脫模,為該復(fù)合材料的最佳成型工藝.3.3討論通過實驗對比分析發(fā)現(xiàn),當燒結(jié)溫度為(200±10),成型壓力為8MPa時,燒結(jié)時間和預(yù)壓壓力對制品成型性影響非常大.當燒結(jié)時間不變時,預(yù)壓壓力增大,有利于UHMwPE粉料的傳熱,白芯明顯減少;若預(yù)壓壓力過大,則會降低UHMwPE的傳熱,白芯又將增多.實驗表明,最第2O卷第5期夏露等金屬一超高分子量聚乙烯復(fù)合材料的制備工藝77合適的預(yù)壓壓力為6MPa.當預(yù)壓壓力不變時,縮

10、短燒結(jié)時間,粉料的傳熱時間相應(yīng)減少,白芯大量出現(xiàn),適當延長燒結(jié)時間,就可獲得光潔,透明的制品,但燒結(jié)時間過長,就會出現(xiàn)降解.因此,在制備該復(fù)合材料時需要掌握好預(yù)壓壓力和燒結(jié)時間兩個參數(shù),是否預(yù)熱,對其成型性影響不大.多次實驗表明3種工藝的穩(wěn)定性和重復(fù)性都很好.聚合物在工作中隨著溫度的上升,摩擦系數(shù)將增大,磨損量也會增大,但當溫升小于1O時,摩擦系數(shù)變化不大9.金屬一UHMWPE復(fù)合材料在實驗過程中的磨損量較小,表明UHMWPE與金屬進行復(fù)合后,加快了UHMWPE熱量的傳遞,導(dǎo)致這種復(fù)合材料在使用過程中溫升不大.4結(jié)論1)制備復(fù)合材料時,采用”拉勾”結(jié)構(gòu)可以不用對基體表面進行預(yù)處理.2)制備金屬

11、一UHMWPE復(fù)合材料的最佳成型工藝為:預(yù)壓(6MPa)一燒結(jié)(195/3.5h,丁初=178)一加壓(8MPa)一保壓一冷卻一出模.-考文獻劉廣建.超高分子量聚乙烯M.北京:化學(xué)工業(yè)出版社.2001.梁淑君.超高分子量聚乙烯的研究現(xiàn)狀J.山西化工,2002,22(2):2022.劉廣建.填料對超高分子量聚乙烯的改性及其在礦山的應(yīng)用J.現(xiàn)代塑料加工應(yīng)用,2O00.10(4):1213.何春霞.不同材料填充超高摩爾量聚乙烯復(fù)合材料的力學(xué)性能分析J.塑料工業(yè),2002.30(5):2931.劉朝宗.填料改性UHMwPE基復(fù)合材料拉伸磨損性能的研究J.吉林工業(yè)大學(xué)學(xué)報,1996,26(3):4245

12、.趙安赤.LCP/UHMWPE原位復(fù)合物的制備,性能和應(yīng)用J.工程塑料應(yīng)用.1999(2):67.趙靜.超高分子量聚乙烯的加工J.塑料加工,1998(1):1722.何繼敏.超高分子量聚乙烯單螺桿擠出及應(yīng)用J.塑料,1998(1):3438.趙德仁.高聚物合成工藝學(xué)(第2版)M.武漢:華工理工大學(xué)出版社,1997.PreparationTechnologyforMetal-UHMWPECompositeXIALu,HUANGJin.ZHANGYou-shou(SchoolMechanicalEngin.,HubeiUniv.ofTechnology,Wuhan430068,China)Abstract:Themetalmatrixwaspreforme