納米Al2O3UHMWPE復(fù)合材料的環(huán)境性能研究論文

1、納米Al 2O3/UHMWPE 復(fù)合材料的環(huán)境性能研究摘要線性結(jié)構(gòu)超高分子量聚乙烯工程塑料具有較之常規(guī)工程塑料更為出眾的物理機(jī)械性能，得到眾多領(lǐng)域研究者的青睞。在紡織、造紙、食品機(jī)械、冶金、煤炭、化工等領(lǐng)域被廣泛運(yùn)用，但出于其相對其它材料較弱的表面硬度和抗磨粒磨損性能的原因，在條件要求較高的某些特定環(huán)境下無法使用。為了更好地開發(fā)運(yùn)用這一高性能的工程塑料，對其改性得到了廣泛研究。用納米 AlzQ粒子改性UHMWP城現(xiàn)出了許多不同于常規(guī)填料改性的新特性。用熱壓成型法制備了納米氧化鋁填充超高分子量聚乙烯復(fù)合材料并采用鋼環(huán)式摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)（型號 M-2000）考察了納米粒子對復(fù)合材料摩擦磨損性能的影響

2、及在特殊環(huán)境下的磨損性能。 本文主要考查0%、 5%和 10%填充比例的Al 2O3/UHMWPE復(fù)合材料在鋼絲環(huán)對磨情況下的磨損性能，并考慮了在不同測試速度下的情況以及測試中在鋼絲環(huán)上滴加二甲基硅油潤滑下的情況。采用電子顯微鏡觀察了復(fù)合材料在幾種情況下的磨損表面形貌。結(jié)果表明低速時(shí)高比例氧化鋁填充的 UHMWPE復(fù)合材料摩擦性能較純 UHMWPE;高速時(shí)高比例氧化鋁填充的 UHMWPE合材料變得不耐磨了，摩擦性能比純 UHMWPE料摩擦性能差，但加油潤滑后復(fù)合材料又 非常耐磨了。關(guān) 鍵 詞： 超高分子量聚乙烯，納米氧化鋁，復(fù)合材料，鋼絲對磨，填充改性 TOC o 1-5 h z HYPERL

3、INK l bookmark4 o Current Document 第一章前言3 HYPERLINK l bookmark6 o Current Document 摩擦學(xué)概況 3 HYPERLINK l bookmark8 o Current Document UHMWPE 概況 3 HYPERLINK l bookmark10 o Current Document UHMWPE摩擦學(xué)性能 4 HYPERLINK l bookmark12 o Current Document 納米材料 4 HYPERLINK l bookmark14 o Current Document 本課題的研究意義

4、5 HYPERLINK l bookmark16 o Current Document 第二章實(shí)驗(yàn)部分5立1實(shí)驗(yàn)試劑 5立2實(shí)驗(yàn)儀器 5 HYPERLINK l bookmark22 o Current Document 強(qiáng)3成型壓力機(jī)的操作 5 HYPERLINK l bookmark24 o Current Document 強(qiáng)4 純UHMWPE板的制備 6立5 Al 203/UHMWPE復(fù)合材料的制備 6 HYPERLINK l bookmark28 o Current Document 2. 6摩擦磨損性能測試 62.6.1實(shí)驗(yàn)儀器與試劑 6鋼絲環(huán)的制作 7鋼絲環(huán)線速度的設(shè)定 72.6

5、.4 Al 2Q/UHMWPE合材料樣塊與鋼絲環(huán)對磨的測試流程 7Al 2Q/UHMWPE合材料樣塊在純鋼絲的滴油潤滑環(huán)境下的摩擦測試7立7 電子光鏡的操作 8立8樣塊硬度測試 8 HYPERLINK l bookmark30 o Current Document 第三章結(jié)果與討論9 HYPERLINK l bookmark32 o Current Document 材料硬度比較 9 HYPERLINK l bookmark34 o Current Document 磨損率 9板鋼絲環(huán)對磨磨損率分析 9板鋼絲環(huán)對磨滴油潤滑條件下磨損率分析 10 HYPERLINK l bookmark36 o

6、 Current Document 9.3 摩擦系數(shù) 11不同材料隨鋼絲環(huán)線速度的變化的影響 11不同鋼絲環(huán)線速度因材料不同的影響 12鋼絲環(huán)滴油對材料摩擦系數(shù)的影響 13 HYPERLINK l bookmark38 o Current Document 溫度 14面溫度隨鋼絲環(huán)線速度變化的影響 1415試時(shí)內(nèi)部溫度與切面溫度的關(guān)系 15滴油對切面溫度的影響 15 HYPERLINK l bookmark40 o Current Document 微觀形貌分析 16 HYPERLINK l bookmark42 o Current Document 結(jié)論17 HYPERLINK l book

7、mark44 o Current Document 參考文獻(xiàn)18 HYPERLINK l bookmark46 o Current Document 致謝19第一章前言擦學(xué)概況摩擦學(xué)(Tribology)這個(gè)詞的出現(xiàn)是在著名的“Jost報(bào)告”之后1,因?yàn)椤癑ost 報(bào)告”，英國認(rèn)識到以往科學(xué)界對于摩擦學(xué)領(lǐng)域的認(rèn)識少，不夠重視，值得一說的 是因?yàn)槟Σ聊p正在給英國甚至全世界帶去巨大的損失，英國為了讓科學(xué)家重視 摩擦學(xué)的研究工作，給全世界帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益，“Jost報(bào)告”工作組和牛津大 學(xué)出版英文詞典增補(bǔ)版編輯磋商后，提出了一個(gè)新詞 (Tribology)來說明摩擦學(xué)這 門學(xué)科。摩擦是人類生活中

8、不可忽視的一種自然現(xiàn)象，任何有運(yùn)動(dòng)的地方均有摩擦的 產(chǎn)生，伴隨而來的是摩擦接觸面所產(chǎn)生的磨損。摩擦學(xué)是研究具有現(xiàn)對運(yùn)動(dòng)、相互作用表面上各種現(xiàn)象(主要是摩擦、磨損、 潤滑及其相對現(xiàn)象)產(chǎn)生、變化和發(fā)展的規(guī)律及其引用的一門科學(xué)和技術(shù)。就知 識結(jié)構(gòu)而言，屬于一門邊緣學(xué)科，是因?yàn)槠渖婕暗膶W(xué)科內(nèi)容包括物理、化學(xué)、數(shù) 學(xué)、力學(xué)、材料、機(jī)械、測試、分析與表面技術(shù)等從其功能而言，摩擦學(xué)可以歸 納為三個(gè)主要內(nèi)容，即摩擦、磨損與潤滑。摩擦學(xué)的研究內(nèi)容主要包括：摩擦磨損機(jī)理、潤滑理論、材料及表面處理工 藝、潤滑材料、摩擦學(xué)的研究方法與測試技術(shù)、新興摩擦學(xué)領(lǐng)域研究2。UHMWP 概況超高分子量聚乙烯作為最為理想的高性

9、能樹脂，由于其極高的分子量(150萬以上)，超高分子量聚乙烯制品擁有了普通工程熟料不具備的優(yōu)異性能，而被廣 泛運(yùn)用與紡織、造紙、食品機(jī)械、冶金、煤炭、化工等領(lǐng)域 3,4。相比其他各種塑料而言，超高分子量聚乙烯的耐磨性是最好的甚至超過了某 些金屬，而且UHMWPE有隨分子量增加其耐磨性進(jìn)一步增加的特性；UHMWPE沖擊強(qiáng)度在所有工程塑料中也是排在前列的，約為聚碳酸酯的2倍，ABS的5倍，聚甲醛和PBT的10余倍5;超高分子量聚乙烯動(dòng)摩擦系數(shù)很小致使自潤滑性能很好 而且價(jià)廉，所以在摩擦學(xué)領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用；UHMWP晞度很低約為94g/cm3,在所有工程塑料中都是最小的，所以用 UHMWPE的產(chǎn)品都非

10、常輕；UHMWPE生無毒， 不易粘附，不結(jié)垢，還具有優(yōu)異的電絕緣性能，比高分子聚乙烯耐環(huán)境應(yīng)力開裂 性強(qiáng)很多。雖然UHMWPE很多優(yōu)點(diǎn)，但超高分子量聚乙烯也含有的缺點(diǎn)。主要表現(xiàn)在： 熱變形溫度低、耐高溫性能差、機(jī)械強(qiáng)度低、硬度低、剛度低以及加工困難。要 克服這些缺陷，都只有通過改性來實(shí)現(xiàn)6,7。UHMWPE性一般分為物理方法和化學(xué)方法兩種 網(wǎng)。物理改性一般是指填充改性網(wǎng)。UHMWPE加劑改性是把每一種添加劑經(jīng)過偶 聯(lián)劑偶聯(lián)處理后再添加 UHMWPE料中，進(jìn)行機(jī)械攪拌均勻然后成型加工。它是科 學(xué)研究、生產(chǎn)加工中常用的一種改性方法。該方法能夠簡單、方便地滿足和改善塑料多種不同性能要求，同時(shí)多數(shù)物理

11、改性不僅提高了材料性能而且可減小成本， 現(xiàn)已廣泛采用；化學(xué)改性主要是指化學(xué)交聯(lián)，用化學(xué)手段改變樹脂分子形態(tài)和結(jié)構(gòu)讓樹脂獲 得新的性能10 0這種方法能夠改變樹脂的某些性能從而制造出新的樹脂材料?；?學(xué)交聯(lián)使UHMWPE吉晶度降低，韌性增加?；瘜W(xué)改性可分為化學(xué)交聯(lián)改性和輻射 改性11?；瘜W(xué)交聯(lián)改性是在UHMWPE融過程中加入適量的交聯(lián)劑，是材料分子問 發(fā)生交聯(lián)。交聯(lián)劑的區(qū)別又化學(xué)改性可以分為偶聯(lián)劑交聯(lián)和過氧化物交聯(lián)。輻射 交聯(lián)則是對UHMWPE品進(jìn)行電子射線或者丫射線持續(xù)照射以致交聯(lián)。教練可增加 韌性但是交聯(lián)必須適度，否則由于兩交聯(lián)點(diǎn)間的網(wǎng)鏈較短，容易使應(yīng)力集中，材 料受到?jīng)_擊時(shí)易斷裂，又有增加

12、脆性的可能。由于化學(xué)交聯(lián)相當(dāng)于進(jìn)一步提高了 UHMWPE分子量，所以可提高UHMWPE耐磨性。UHMWP摩擦學(xué)性能UHMWPE是高聚物的一種，其分子結(jié)構(gòu)特征與聚四氟乙烯很相似，為無側(cè)鏈光 滑分子分布，相鄰兩鏈之間非常容易進(jìn)行相對滑動(dòng)， 因UHMWPE品即使在無潤滑 劑存在時(shí)，與銅或黃銅等金屬表面相對滑動(dòng)時(shí)也不會(huì)引起黏著現(xiàn)象，顯示出低摩 擦系數(shù)的特性12。同時(shí)，其耐磨性隨著分子量的增大而大大提高，與一般的 HDPE 相比，UHMWP的耐磨性要優(yōu)良幾倍到幾十倍。相對于金屬材料，由于UHMWPE身結(jié)構(gòu)的不同，其性能受溫度、時(shí)間的影響 很大，特別是黏彈性行為。因此,UHMWPE料是容易產(chǎn)生蠕變，其摩擦

13、磨損規(guī)律變 得很復(fù)雜，存在著蠕變-摩擦-磨損-蠕變的復(fù)合摩擦過程13 o薛俊14等人研究發(fā) 現(xiàn)，在摩擦/蠕變復(fù)合摩擦過程中，由于UHMWPE熱的不良導(dǎo)體，散熱性能很差， 摩擦熱使UHMWP表面溫度迅速升高，從而改變了材料的結(jié)構(gòu)性能，大大增加了 UHMWPE蠕變速率。這說明，摩擦蠕變能通過增大 UHMWPE料的導(dǎo)熱系數(shù)來減弱。正如伍學(xué)誠等15認(rèn)為的，UHMWRE磨損過程主要有有黏著磨損，疲勞磨損和 磨粒磨損。如下所示：(1)當(dāng)摩擦副表面相對滑動(dòng)時(shí)，由于黏著效應(yīng)所形成的粘結(jié)點(diǎn)發(fā)生剪切斷 裂，被剪切的材料或脫落成磨屑，或有一個(gè)表面遷移到另一個(gè)表面，這類磨損稱 之為粘著磨損。根據(jù)磨損的程度，粘著磨損又

14、分為：輕微黏著磨損，一般黏著磨 損，膠合磨損，擦傷磨損。在這幾類粘著磨損中，膠合磨損更為嚴(yán)重。(2)摩擦表面在磨粒產(chǎn)生的循環(huán)接觸應(yīng)力作用下，使外界硬顆?；蛘邔δケ?面上的硬突起物在摩擦過程中引起表面材料脫落的現(xiàn)象即為磨粒磨損。而磨粒磨 損又可分為：三體磨損，二體磨損，和低應(yīng)力磨粒磨損。磨粒磨損在摩擦磨損現(xiàn) 象中是經(jīng)常出現(xiàn)的，它的機(jī)理目前主要有三種：微觀切削，疲勞破壞，和擠壓剝 落。當(dāng)材料的硬度高于磨料時(shí)，可在一定程度上防止磨粒磨損。(3)兩個(gè)相互滾動(dòng)或滾動(dòng)兼滑動(dòng)的摩擦表面，在循環(huán)變化的接觸應(yīng)力作用 下，由于疲勞剝落而形成凹坑，統(tǒng)稱為表面疲勞磨損或接觸疲勞磨損。同樣，疲 勞磨損分為以下幾種：表面

15、萌生與表面萌生疲勞磨損；鱗剝與點(diǎn)蝕磨損。米材料納米材料定義至少在一維尺度上具有 100nm以下尺度的材料。當(dāng)材料的特征 尺度降低到納米尺度時(shí)，會(huì)因?yàn)樾〕叨刃?yīng)、量子效應(yīng)、界面和表面效應(yīng)等出現(xiàn)明顯不同于宏觀尺度下常規(guī)材料的一些全新性質(zhì)，給人們帶來了一個(gè)全新的研究 領(lǐng)域，對納米材料的研究已經(jīng)成為全世界范圍內(nèi)的研究重點(diǎn)，在干摩擦領(lǐng)域，納 米材料也逐漸得到了廣泛的運(yùn)用。在基體中以納米材料作為添加填充劑成為了材 料改性的重要研究領(lǐng)域。課題的研究意義雖然UHMWPE很多優(yōu)點(diǎn)，但UHMWR溫性和流動(dòng)性差、硬度低、導(dǎo)熱性和 抗磨粒磨損性能差，從而限制了 UHMWPE應(yīng)用16。近年來國內(nèi)外學(xué)者對 UHMWPE

16、改性進(jìn)行了大量的研究17-20,但考慮環(huán)境因素影響的研究報(bào)道較少。因此，本文作 者研究了納米Al2Q/UHMWPE合材料在鋼絲環(huán)對磨以及滴油環(huán)境鋼絲環(huán)對磨下的 摩擦磨損性能，并通過改變鋼絲環(huán)線速度考慮了線速度對兩種測試情況的影響。第二章實(shí)驗(yàn)部分驗(yàn)試劑表2-1實(shí)驗(yàn)試劑試齊型號生廣J商/經(jīng)銷商二甲基硅油AR天津市風(fēng)船化學(xué)試劑科技有限公司Al 2Q粉末TAP-A21南京天，門新材料有限公司丙酮AR;煙臺(tái)市雙雙化工有限公司UHMWPEM2北京助劑二廠無水乙醇AR天津市風(fēng)船化學(xué)試劑科技有限公司除上述之外，還有脫脂棉，保溫棉，藥匙，樣品袋等。驗(yàn)儀器表2-2實(shí)驗(yàn)儀器儀器設(shè)備名稱型號及規(guī)格r生產(chǎn)產(chǎn)家電子天平F

17、A2004Nr上海菁海儀器有限公司TES 1384輸入溫度記錄器TES1384泰仕電子工業(yè)股份有限公司成型壓力機(jī)HHYG-305r自制料理機(jī)JYL-350S九陽股份有限公司調(diào)速模具電磨S1T-KN-6上海旭龍電動(dòng)工具廠邵氏橡塑硬度計(jì)LX-D 型萊州精益試驗(yàn)儀器有限公司砂紙240目湖北通城寶塔砂布廠型壓力機(jī)的操作實(shí)驗(yàn)前，先把模具拆開，用銀子夾著棉花沾一點(diǎn)二甲基硅油擦拭模具內(nèi)表面 注意二甲基硅油涂抹時(shí)量要適中，過多影響樣板材料分子間的結(jié)合，過少不利于 制作的樣板脫模。然后，裝好地板后將混合好的粉末倒入模具中，并把模具壓柱 裝上。再把模具放入壓力機(jī)上，把溫度傳感器和溫度計(jì)插到對應(yīng)的孔中，最后給 模具

18、接上電源，調(diào)節(jié)加熱電壓和設(shè)定溫度。注意加熱電壓不宜過大，不然受熱不 均可能造成不熟，加熱電壓過低則不利于實(shí)驗(yàn)時(shí)間安排，浪費(fèi)時(shí)間。需要加壓時(shí) 把懸桿通過旋轉(zhuǎn)往下降知道接觸到模具壓柱。需要注意的是保持懸桿和模具壓柱 同一垂直線上，以防壓力大時(shí)造成壓力機(jī)四角受力不均造成損害。需要加壓時(shí)則 壓動(dòng)液壓桿通過壓力機(jī)底座的液壓機(jī)加壓，通過液壓機(jī)上的壓力計(jì)，控制壓力。純UHMWPE的制備(1)用無水乙醇擦洗模具，以除去其表面的雜質(zhì)。干燥風(fēng)干除去無水乙醇后再用二甲基硅油擦(2)用電子天平稱取5.6g5.8g左右的UHMWPE末，并將其全部倒入模具中。(3)進(jìn)行預(yù)熱過程，不加壓將溫度升至 60c后再保溫20min

19、。預(yù)加熱可以改善材 料的工藝性能，降低成型壓力，進(jìn)而獲得性能更穩(wěn)定的樣塊。(4)保持加熱電壓200V,溫度升高到170c后再恒溫30min。加熱熔融過程進(jìn)行 預(yù)加壓過程，懸下壓桿，將壓力調(diào)至拭模具，為了方便卸下樣塊。2MPa恒壓2min。 預(yù)加壓過程有利于排出模具中粉末內(nèi)的氣體，使粒子之間的空隙減小，增大密實(shí) 感，從而可以減小壓制過程的時(shí)間。(5)是制備過程中最重要的一步。在升溫過程中，速率應(yīng)該慢一些，使材料內(nèi)外 受熱均勻，避免應(yīng)力的生成。同時(shí)，保溫時(shí)間也應(yīng)該嚴(yán)格的控制。時(shí)間過短，材 料內(nèi)外燒結(jié)程度不同，導(dǎo)致材料不均勻。時(shí)間過長，材料外部燒結(jié)過熟，極易造 成降解老化，又延長了板的壓制過程，使時(shí)

20、間安排很不合理。(6)進(jìn)行恒壓冷卻，保持壓力為 5MPa進(jìn)行自然降溫，直至溫度降為 60Co加 壓時(shí)機(jī)應(yīng)選擇在熔體能夠拉絲并放出氣體之前，保壓時(shí)可以促使熔體充滿模具型 腔，從而保證制品的形狀和尺寸 。(7)關(guān)閉電源，開壓力閥門，將樣板進(jìn)行脫模取出，清理模具與試驗(yàn)臺(tái)(實(shí)驗(yàn)的 全程要戴手套，防止觸電)。(8)樣板用鋼絲鋸切割成3塊7*6*30的樣塊，并用砂紙打磨光滑。然后用調(diào)速 模具電磨在樣塊上遠(yuǎn)離測試面打一個(gè)小孔，注意不要把樣塊打穿剛好能插 TES1384 輸入溫度記錄器得傳感器就行，以待測試樣塊在和鋼絲環(huán)對磨時(shí)的內(nèi)部溫度。A12O3/UHMWPEM合材料的制備將UHMWPE末與AI2O粉末分別

21、按照5% 10%勺填充比例稱重后用料理機(jī)機(jī)械 混和均勻，料理機(jī)每工作20秒停10秒，如此重復(fù)3分鐘以使其混合均勻。再將 混合物粉末倒入模具。先進(jìn)行預(yù)加熱，然后預(yù)加壓，冉恒溫，最后恒壓自然冷卻 等過程，如上述2.3所述，冷卻月模即可得 ALQ /UHMW附合材料的樣塊。擦磨損性能測試驗(yàn)儀器與試劑在摩擦磨損性能測試中，所用的試劑為丙酮，無水乙醇，二甲基硅油，棉花等。 實(shí)驗(yàn)所用儀器如下表所示，表2-3摩擦測試儀器儀器設(shè)備型號生產(chǎn)產(chǎn)家光學(xué)生物顯微鏡FL-305A江西楓林光學(xué)儀器有限公司磨損試驗(yàn)機(jī)M-2000宣化試驗(yàn)機(jī)廠電子數(shù)千分尺廣陸數(shù)字測控股份有限公司游標(biāo)卡尺上海申韓量具有限公司紅外測溫儀GM320

22、廣州眾宇旺電子科技有限公司鋼絲環(huán)(大，小)大環(huán)D=20mm 小環(huán)D=31mm 鋼絲 D=1.6mm自制環(huán)的制作特制的鋼環(huán)半徑為31mm鋼絲直徑為1.2mm通過計(jì)算知纏繞鋼絲環(huán)所需要 的鋼絲長度約為1.94m,因此我們用鉗子截取2代岡絲備用。為了更好地把鋼絲固定 在鋼環(huán)表面我們配制了強(qiáng)力的膠水。在電子天平上稱量20g環(huán)氧樹脂置于燒杯中，再用藥匙取20g聚酰胺樹脂放入之前的燒杯中，混合攪拌均勻直至變成粘稠 的膠水。用刷子蘸取少量膠水均勻涂抹在鋼環(huán)表面，注意膠水在表面形成很薄一 層就可以了，防止?jié)B到鋼絲表面形成薄膜，將涂抹好的鋼環(huán)晾 23min。纏繞之前如果膠多了需要用藥匙把多余的膠水刮去。將鋼絲一

23、端穿過鋼環(huán)表 面的孔，然后通過讓鋼絲穿過鐵扣后用鉗子把鐵扣壓扁從而固定鋼絲。纏繞鋼絲 的過程需要三個(gè)人協(xié)同合作，一個(gè)人固定鋼環(huán)并纏繞鋼絲，一個(gè)人用剪刀把鋼環(huán) 上鋼絲之間的縫隙壓緊，使鋼絲纏繞更緊，最后一個(gè)人在遠(yuǎn)處拉緊鋼絲。纏好后 把鋼絲另一端從另一個(gè)孔中穿過，把螺絲刀抵在鋼環(huán)邊緣，用錘子敲擊螺絲刀壓 緊邊緣的鋼絲，最后用鐵扣固定好鋼絲。鋼絲環(huán)的細(xì)節(jié)處理，用鐵錘磨平鋼絲末端的毛刺，防止在使用的過程中出現(xiàn) 安全隱患。把經(jīng)過處理的鋼絲環(huán)放入烘箱中80度烘烤12h,使膠水固化，防止鋼絲松動(dòng)，至此鋼絲環(huán)的制備工作全部完成。絲環(huán)線速度的設(shè)定表2-4各種鋼絲環(huán)測試線速度類別小環(huán)低速大環(huán)低速小環(huán)局速大環(huán)局速線

24、速度m/s0.430.650.861.3Al 2O/UHMWPE合材料樣塊與鋼絲環(huán)對磨的測試流程(1)測試開始前，用機(jī)油對磨損試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行潤滑工作，保證機(jī)器正常工作并減少 噪音。用蘸著丙酮的棉花擦拭鋼絲環(huán)表面，以除去鋼絲環(huán)表面的雜質(zhì)。(2)將樣塊卡緊于磨損試驗(yàn)機(jī)的相應(yīng)位置，用蘸著丙酮的棉花擦拭樣塊表面，冉 將TES 1384輸入溫度記錄器的導(dǎo)線插入樣塊的小孔內(nèi)(測試前樣塊用調(diào)速模具電 磨打孔)。(3)打開電源，再打開相應(yīng)的高速或低速檔位，秒表開始計(jì)時(shí)。(4)在對應(yīng)的時(shí)間刻度下，讀取三個(gè)數(shù)值，即扭矩，樣塊與鋼絲環(huán)切面溫度(用 紅外測溫儀檢測)，樣塊內(nèi)部溫度。(5)測試完畢后，關(guān)掉電源，卸下樣塊。2

25、.6.5 Al 2O/UHMWPE合材料樣塊在純鋼絲的滴油潤滑環(huán)境下的摩擦測試(1)測試開始前，用機(jī)油對磨損試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行潤滑工作，保證機(jī)器正常工作并 減少噪音。用蘸著丙酮的棉花擦拭鋼絲環(huán)表面，以除去鋼絲環(huán)表面的雜質(zhì)。(2)打開機(jī)器低速運(yùn)行，滴加5滴二甲基硅油，直到油分散均勻后停車。將樣塊卡緊于磨損試驗(yàn)機(jī)的相應(yīng)位置，用蘸著丙酮的棉花擦拭樣塊表面，再將 TES 1384輸入溫度記錄器的導(dǎo)線插入樣塊的小孔內(nèi)（測試前樣塊用調(diào)速模具電磨打孔）。4）打開電源，再打開相應(yīng)的高速或低速檔位，秒表開始計(jì)時(shí)。測試過程中每 5min 滴加 5 滴二甲基硅油。5）在對應(yīng)的時(shí)間刻度下，讀取三個(gè)數(shù)值，即扭矩，樣塊與鋼絲環(huán)切

26、面溫度（用紅外測溫儀檢測） ，樣塊內(nèi)部溫度。6）測試完畢后，關(guān)掉電源，卸下樣塊。電子光鏡的操作材料進(jìn)行鋼絲環(huán)磨損性能試驗(yàn)后，為了更好的分析鋼絲條件下的磨痕，我們用電子光鏡進(jìn)行放大拍攝觀察，然后進(jìn)行分析。電子光鏡屬于精密儀器需要我們進(jìn)行十分規(guī)范的操作程序，避免損壞儀器，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)出現(xiàn)偏差。程序步驟分為以下幾步：小心緩慢地取出顯微鏡， 平穩(wěn)的放在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上， 解開繞線后接通電源，把電子目鏡（型號MC-500U（E裝在顯微鏡上，目鏡連接線的USB接口與計(jì)算機(jī)上的USB 口接好。打開顯微鏡上的總開關(guān)和增強(qiáng)光開關(guān)，在計(jì)算機(jī)上找到 Web Cam companion2 軟件打開，選擇捕獲選項(xiàng)，這時(shí)可以發(fā)現(xiàn)在計(jì)

27、算機(jī)屏幕出現(xiàn)顯微鏡載物片圖像。將需要拍攝的樣塊放在顯微鏡載物臺(tái)中心處，將要拍攝的樣品表面處對準(zhǔn)載物臺(tái)中心點(diǎn)并朝上放置。需要注意的是拍攝白色樣品時(shí)選擇黑色載物片，其他一般選用白色載物片。此刻在計(jì)算機(jī)顯示屏上并不能出現(xiàn)清晰的圖像，需要調(diào)節(jié)放大倍數(shù)、亮度以及物鏡與載物臺(tái)的高度來來尋找清晰的圖片，然后單擊捕獲就拍攝完成了。拍攝完成后先關(guān)掉電源開關(guān)，清除樣品后小心緩慢地卸掉目鏡并放置在保護(hù)盒里，拔掉電源調(diào)低物鏡高度，收拾干凈后放入木柜。值得注意的是顯微鏡支架上的大旋鈕為調(diào)節(jié)物鏡高度的旋鈕，小旋鈕為調(diào)節(jié)放大倍數(shù)的旋鈕，兩者之間需要協(xié)同，可以先確定放大倍數(shù)再調(diào)節(jié)高度，出現(xiàn)較為清晰的圖像時(shí)進(jìn)行微調(diào)。物鏡離載物

28、臺(tái)越近顯示器出現(xiàn)的圖像越大，放大倍數(shù)旋鈕的調(diào)節(jié)范圍在0.74.5 倍之間。顯示器中出現(xiàn)的圖像是倒置的，即上下左右都是相反的，在微調(diào)移動(dòng)樣塊時(shí)需要注意不能弄錯(cuò)方向。顯微鏡左側(cè)的光圈調(diào)節(jié)旋鈕可以調(diào)節(jié)光圈明暗程度，使顯示器出現(xiàn)清晰的圖像。圖像標(biāo)尺的制備。在捕獲好圖像后，把樣塊取下裝入小袋中，貼好標(biāo)簽。保持放大倍數(shù)和物鏡距離不變，將游標(biāo)卡尺放在載物臺(tái)上，通過旋轉(zhuǎn)電子目鏡使得顯示器捕獲窗口中游標(biāo)卡尺圖像水平平行，同時(shí)還需要調(diào)節(jié)光圈亮度，捕獲清晰的游標(biāo)卡尺圖像。通過圖像處理將游標(biāo)卡尺1mm圖像加入到樣品圖中，注意一般一個(gè)樣品對應(yīng)一個(gè)圖標(biāo)卡尺，除非樣品是在同一放大倍數(shù)下拍攝的。樣塊硬度測試取壓力成型機(jī)制作的

29、方塊樣板，放在堅(jiān)固水平的實(shí)驗(yàn)臺(tái)上。在板上正反面分別取 5 個(gè)點(diǎn)，可以用鉛筆標(biāo)記一下待測。取點(diǎn)時(shí)采用四角各取一點(diǎn)，中間取一點(diǎn)，要注意的是四角取的點(diǎn)距離邊沿至少10mm點(diǎn)取好之后，用右手握住硬度計(jì)垂直樣板將壓足壓垂直在樣板上，直到樣板與壓足完全接觸時(shí)迅速讀數(shù)。分別測試正 面和反面的5個(gè)點(diǎn)，再取均值。第三章結(jié)果與討論料硬度比較表3-1材料硬度對比材料編p硬度值均值+5%Al2O3(1)5960(2)61(3)60+ 10%A2O(1)6161.33(2)62(3)61純 UHMWPE(1)5756.33(2)56(3)56由上圖表知復(fù)合材料的硬度比純 UHMWPE硬度大。原因在于氧化鋁納米粒子 的剛

30、性大，而且納米粒子易于分散。A12Q/UHMWPE備過程中攪拌使納米氧化鋁粒 子均勻分散在UHMWPE末中，致使復(fù)合材料的硬度提高了。損率板鋼絲環(huán)對磨磨損率分析圖3-1 0%、5嗨口 10項(xiàng)充復(fù)合材料在不同線速度鋼絲對磨磨損率分析磨損率圖1,對于一種材料而言隨著對磨速度的增加，磨損率呈遞增的趨 勢，且不同氧化鋁填充的 A12Q/UHMWP復(fù)合材料的遞增速率不一樣。純的隨對磨 速度增加磨損率增加較緩，Al 2Q/UHMWPE合材料磨損率增加較快。不同填充比例 的A12Q/UHMWPE合材料磨損率增加不一樣。圖3-2四種速度下的三種材料對比0.0220.0200.0180.0160.0140.01

31、20.0100.0080.0060.0040.002圖3-3四種速度磨損率隨材料變化曲線分析磨損率圖2和圖3,在小環(huán)低速（0.43m/s）時(shí)5%A2Q/UHMWPE合材料， 明顯的降低了磨損率，但隨著對磨速度的增加5%t匕例的復(fù)合材料磨損率依然增加。 在小環(huán)低速時(shí)磨損率隨氧化鋁填充比例先減后增，大環(huán)低速（0.65m/s）時(shí)磨損率隨氧化鋁填充比例遞增，小環(huán)高速（0.86m/s）時(shí)磨損率隨氧化鋁填充比例遞減， 大環(huán)高速（1.30m/s）時(shí)可以看做先減后增。由此，在一定范圍內(nèi)，低速時(shí)5%!充比例的AI2O3 /UHMW阻合材料磨損率比其他比例或者純 UHMWPE料磨損率小，而 高速時(shí)10%（充比例的

32、Al 203 /UHMWPE合材料磨損率比其他比例或者純 UHMWPE 料磨損率小但速度大到一定程度后，磨損率相比其他材料反而增大了。板鋼絲環(huán)對磨滴油潤滑條件下磨損率分析0.0100.0060.0040.0020.000 0.65m/s| | 0.86m/sI 一 1.30m/s圖3-4滴油潤滑時(shí)鋼絲對磨各種情況下磨損率10%0.0080.0130.0120.0110.0100.0090.0080.0070.0060.0050.0040.0030.0020.0010.000圖3-6線速度1.30m/s時(shí)滴油潤滑圖3-5線速度0.86m/s時(shí)滴油潤滑根據(jù)圖3-4分析得出，在滴油潤滑環(huán)境下樣板與鋼

33、絲環(huán)對磨的速度對材料的影 響成規(guī)律變化。在一定速度范圍內(nèi)，一種氧化鋁填充的UHMWPS合材料，鋼絲環(huán)滴油潤滑對磨的磨損率隨對磨鋼絲環(huán)線速度的增加反而遞減，且速度從小變大的 過程磨損率中先下降的少后下降的多?？赡艿脑蚴撬俣刃r(shí)一點(diǎn)點(diǎn)油潤滑效果 就很好，速度大時(shí)滴油潤滑潤滑快達(dá)到潤滑所能減小磨損率的極限，反而下降的根據(jù)圖3-5和圖3-6同一比例不同速度情況下，滴油潤滑和不滴油潤滑的對 比分析出滴油潤滑使鋼絲環(huán)和材料對磨磨損率大大降低了。不同比例氧化鋁的復(fù) 合材料降低比例相差很大而且測試速度不同磨損率相差也較大。對于小環(huán)高速(0.86m/s)純的UHMWPE降最多，而10%A2Q /UHMWPE合

34、材料由于速度較小時(shí) 材料樣板的摩擦性能較好，滴油潤滑對其影響沒有純UHMWFPE大，這說明在速度不是很大時(shí)高比例的氧化鋁填充有良好的摩擦性能。對于大環(huán)高速(1.3m/s),純UHMW陽御艮多但相比10%A2Q /UHMWPE合材料卻比不上。由于10%A2Q/UHMWPE 復(fù)合材料在高速時(shí)摩擦性能不好，故在鋼絲環(huán)對磨過程中滴加二甲基硅油潤滑使 得磨損率大大降低。故10%A2Q/UHMWPE合材料在低速時(shí)摩擦性能很好，在高速 時(shí)卻不好，如果能在高速摩擦?xí)r滴加油潤滑則材料將變得耐磨，比之純 UHMWPE 料有更好的摩擦性能。摩擦系數(shù)同材料隨鋼絲環(huán)線速度的變化的影響圖3-70.200.180.140.

35、120.100.080.060.040.43m/s0.65m/s0.86m/s1.30m/s14 16 18 20 22 24 26 28 30 32t/min0 0.16e 0.22純UHMWPE擦系數(shù)隨鋼絲環(huán)對磨速度變化0.200.180.140.120.100.080.060.0410 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32t/mino0.160.43m/s0.65m/s0.86m/s_ 1.30m/s圖3-8 5%Al 2Q/UHMWP復(fù)合材料圖 3-9 10%Al 2Q/UHMWP復(fù)合材料-20246810 1214 1618 2022 24 2628 30

36、 32t/min圖3-10線速度0.43m/s鋼絲對磨圖3-11線速度0.65m/s鋼絲對磨綜合圖3-7、圖3-8和圖3-9分析知，純UHMW辟E 5% 10%A2Q/UHMWPE合 材料隨著對磨線速度的增加都是有一個(gè)先降后升的過程，而且不同比例氧化鋁填充的復(fù)合材料摩擦系數(shù)最低對應(yīng)的線速度還不一樣；純UHMWPE 5%A2O/UHMWPE復(fù)合材料在大環(huán)低速（0.68m/s）時(shí)摩擦系數(shù)最低，然而 10%A2O/UHMWP復(fù)合材料則在小環(huán)低速（0.43m/s）時(shí)摩擦系數(shù)最低。由此，每個(gè)比例的UHMWPE該對應(yīng)一個(gè)“最佳”線速度，在此速度時(shí)摩擦系數(shù)達(dá)到最小，速度減小和增大都會(huì)使 摩擦系數(shù)增大。不同鋼

37、絲環(huán)線速度因材料不同的影響n 0.110 .F0.105 -0.100 -0.095 -0.090 .0.085 -0.080 -0.075 -0.070 0.065 -0.060 -0.055 -0.050 圖3-13線速度1.30m/s鋼絲對磨-202468 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32t/mintn 0.14i cf0 0.12 cn。0.080.060.04圖3-12線速度0.86m/s鋼絲對磨綜合圖3-10、3-11、3-12、3-13分析知，小環(huán)低速（0.43m/s）時(shí)純的UHMWPE 摩擦系數(shù)最大，氧化鋁比例越大摩擦系數(shù)越小；大環(huán)低速（0

38、.65m/s）時(shí) 10%A2Q/UHMWP復(fù)合材料摩擦系數(shù)最大，填充氧化鋁比例越大，摩擦系數(shù)越大； 小環(huán)高速（0.86m/s）時(shí)又恢復(fù)到和小環(huán)低速一樣的規(guī)律，填充氧化鋁比例越大摩 擦系數(shù)越?。淮蟓h(huán)高速（1.30m/s）時(shí)，由于對磨速度快使 ALQ/UHMWPg合材料 溫度急劇升高，UHMWF耐熱沖擊性能不是很好，樣板測試時(shí)融化使實(shí)驗(yàn)無法繼 續(xù)進(jìn)行，大概都只測試到12分鐘左右，但我們分析摩擦系數(shù)圖在高速大環(huán)的走勢， 可以知道高速大環(huán)時(shí)的規(guī)律應(yīng)該和高速小環(huán)類似，也是氧化鋁比例越大，摩擦系 數(shù)越大。由此，我們猜測 AI2Q/UHMWP復(fù)合材料的摩擦系數(shù)隨對磨鋼絲環(huán)線速度 應(yīng)該呈一種周期性的變化，如果

39、一個(gè)速度范圍內(nèi)Al 2Q/UHMWPEE合材料中氧化鋁填充比例越大，摩擦系數(shù)越小，那么緊接著下一個(gè)速度范圍內(nèi)，氧化鋁填充比例 越大，摩擦系數(shù)越大。如此周期變化，在每一個(gè)周期內(nèi)都有一個(gè)最佳點(diǎn)，具摩擦 系數(shù)最小。鋼絲環(huán)滴油對材料摩擦系數(shù)的影響根據(jù)圖3-14、圖3-15和圖3-16知，材料樣板在與鋼絲環(huán)對磨時(shí)在鋼絲環(huán)上 間隔時(shí)間滴加二甲基硅油使材料樣板的摩擦系數(shù)大大降低。對于純UHMWPE言，不加油潤滑鋼絲環(huán)在不同線速度時(shí)的摩擦系數(shù)相差特別大，達(dá)到0.05,說明線速度對于材料樣板的影響巨大。現(xiàn)在在鋼絲環(huán)上加油潤滑，純UHMWPE料的摩擦系數(shù)受到鋼絲環(huán)線速度的影響趨于無，圖 3-14中在滴油后三個(gè)線速

40、度對應(yīng)的摩擦系 數(shù)趨于相等；5%ffi 10%A2Q/UHMWPET合材料在滴油前后摩擦系數(shù)差值相比于純 UHMWPE料較小，但在大環(huán)高速（1.30m/s）時(shí)潤滑效果明顯，在鋼絲環(huán)線速度較 低時(shí)滴油有一定的潤滑效果但不是很顯著。由此，速度很低時(shí)由于UHMWPE自潤滑作用，摩擦系數(shù)本來就不高，滴油對材料摩擦系數(shù)影響不是很大。但高速時(shí)超 出了材料的自潤滑限度，滴油將很大程度地減小摩擦系數(shù)，對于純UHMWPE為如此。tDelbrff eoc nHrtclr0.210.200.190.180.170.160.150.140.130.120.110.100.090.080.070.060.050.040

41、.03一w:土riw二20222410 12 14 16 18滴油,0.65m/s-滴油,0.86m/s 滴油,1.30m/s0 0.65m/s0.86m/sj- 1.30m/s26 28 30 32t/min圖3-14純UHMWPE油潤滑0.210.200.190.180.170.160.150.14 .0.13 -0.12 .0.110.10 0.09 -0.080.07 -0.06 -0.050.040.0310 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 t/min滴油,0.65m/s 滴油,0.86m/s 滴油,1.30m/s 0.65m/s 0.86m/s 1

42、.30m/s0.210.20 J0.19 0.18 .0.170.160.150.140.130.120.11 .0.100.09 10.080.070.06 .0.050.04 10 03 I -2 024 68 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32t/min滴油,0.65m/s二滴油,0.86m/s 滴油,1.30m/s 0.65m/s 0.86m/s1.30m/s圖 3-15 5%Al 2Q/UHMWP嘀油潤滑圖 3-16 10%Al 2Q/UHMWP嘀油潤滑度面溫度隨鋼絲環(huán)線速度變化的影響對于一種復(fù)活材料其測試時(shí)切面溫度隨對磨鋼絲環(huán)線速度的增大而增大。

43、線速度較低時(shí)鋼絲環(huán)與復(fù)合材料的切面溫度呈上升走勢，一定時(shí)間后切面溫度趨于穩(wěn) 定在某一值，保持直至測試結(jié)束。.0.43m/s0.65m/s0.86m/s_ 1.30m/s86 42 086 42 086 420 86 4255 55 544 44 433 333 22 22 _c/ferutLa 6曲牛0.43m/s0.65m/s0.86m/s1.30m/s10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32t/min65605550_c/ferhrareDmaT454035302520圖3-18純UHMWPE度變化圖圖3-17 10%Al 2Q/UHMWP溫度變化圖試時(shí)內(nèi)部溫

44、度與切面溫度的關(guān)系_=一切面溫度_內(nèi)部溫度05050505050 50598877665544 3 3 2 p/erut OTenmAT20_一純切面溫度_5%切面溫度-T-10%切面溫度A純內(nèi)部溫度.中5%內(nèi)部溫度*110%, 10%內(nèi)部溫度-202468 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32t/min圖3-19純UHMWPE環(huán)高速圖3-20小環(huán)高速時(shí)內(nèi)部溫度和切面溫度對比根據(jù)圖3-19和圖3-20,內(nèi)部溫度普遍都比切面溫度高，溫度開始變化時(shí)內(nèi)部 溫度切面溫度低但隨著測試的進(jìn)行，熱量逐步傳入內(nèi)部，是材料升溫，內(nèi)部溫度 升高。內(nèi)部溫度相比切面溫度而言，熱量不易

45、流失，溫度很難降低。而切面溫度 是材料與鋼絲環(huán)接觸面的溫度受空氣流動(dòng)等的影響熱量易流失，所以切面溫度普遍比內(nèi)部溫度低一些。不同比 例的UHMWPE合材料的樣板內(nèi)部溫度都是比切面溫度高。 3.4.3滴油對切面溫度的影響486 4 2 0 8 6 4 2 0 84 4 4 4 3 3 3 3 3 2 /erhracenmnTII11IIIII IILI ILIIU-2024681012141618 202224 26283032t/min圖3-21純UHMWPE鋼絲環(huán)0.86m/s時(shí)滴油與否的區(qū)別根據(jù)圖15知，滴油使鋼絲環(huán)與材料樣板切面溫度比未滴油時(shí)低很多。切面溫 度都是先上升然后維持在一定數(shù)值范

46、圍內(nèi)波動(dòng)，波動(dòng)的原因可能是人工測量時(shí)的 偶然誤差、材料樣板不時(shí)完全均勻和鋼絲環(huán)上鋼絲面不是完全一樣等原因造成的。 而造成切面溫度在滴油前后相差較大的原因可能有三點(diǎn)：1、二甲基硅油在鋼絲環(huán)上的散失帶走了熱量，是切面溫度降低；2、滴油使摩擦系數(shù)普遍降低，因?yàn)槟Σ?系數(shù)的降低使切面處滑動(dòng)摩擦產(chǎn)生的熱量減少，使切面溫度降低；3、實(shí)驗(yàn)時(shí)由于滴油使材料樣板在與鋼絲環(huán)對磨時(shí)也沾上很多油，油的滲透使樣板與卡座之間產(chǎn) 熱更快，熱量散失而切面溫度降低。觀形貌分析圖3-22滴油潤滑復(fù)合材料表面圖3-23未滴油潤滑復(fù)合材料表面圖3-22為滴油潤滑大環(huán)高速（1.30m/s）鋼絲環(huán)對磨測試情況下的 5%A2O/UHMWP

47、E合材料表面，圖3-23為未滴油潤滑小環(huán)高速鋼絲環(huán)對磨測試情 況下的5%A2Q/UHMW限合材料表面。分析圖3-22表面較平整，且均勻，劃痕較 淺，材料較耐磨。圖3-23為純UHMW唯與純鋼絲的鋼環(huán)對磨時(shí)表面微觀形貌圖，由圖可知， 材料表面大體較為平整，但沿滑動(dòng)方向磨痕較深，且有溝槽出現(xiàn)，這些溝槽沿著 表面層與次表面層而相互連接，明顯的塑性變形，有大小不一的凹坑出現(xiàn)，在垂 直于滑動(dòng)方向有大量的縱向溝槽且尺寸較大，這是疲勞剝落所致，推測是填料粒 子在材料中分散不夠均勻，屬于黏著磨損和磨粒磨損的共同作用。結(jié)論通過實(shí)驗(yàn)得出結(jié)論：(1)對于未改性的超高分子量聚乙烯材料來說，Al 2Q/UHMWP復(fù)合材料在低速鋼絲環(huán)對磨時(shí)有較好的摩擦學(xué)性能，且氧化鋁填充比例越大越耐磨，但隨著材料與鋼絲環(huán)對磨速度的增加，復(fù)合材料將變得不再耐磨，而且其相對較高的磨損率會(huì)降低材料的使用壽命。純 UHMWPE料在高速鋼絲環(huán)對磨時(shí)反而比有氧化鋁填 充的復(fù)合材料耐磨了。(2)在滴加二甲基硅油潤滑的鋼絲環(huán)對磨情況下，在低速時(shí)純UHMWPE料相對于AI2Q/UHMWP復(fù)合材料磨損率降低的多，且氧化鋁填充比例越大下降的越 少；在高速時(shí)情況剛好相反，高比例的氧化鋁納米粒子填充的復(fù)合材料磨損率下降最多，變