纳米Al2O3UHMWPE复合材料的环境性能研究论文

1、纳米Al 2O3/UHMWPE 复合材料的环境性能研究摘要线性结构超高分子量聚乙烯工程塑料具有较之常规工程塑料更为出众的物理机械性能，得到众多领域研究者的青睐。在纺织、造纸、食品机械、冶金、煤炭、化工等领域被广泛运用，但出于其相对其它材料较弱的表面硬度和抗磨粒磨损性能的原因，在条件要求较高的某些特定环境下无法使用。为了更好地开发运用这一高性能的工程塑料，对其改性得到了广泛研究。用纳米 AlzQ粒子改性UHMWP城现出了许多不同于常规填料改性的新特性。用热压成型法制备了纳米氧化铝填充超高分子量聚乙烯复合材料并采用钢环式摩擦磨损试验机（型号 M-2000）考察了纳米粒子对复合材料摩擦磨损性能的影响

2、及在特殊环境下的磨损性能。 本文主要考查0%、 5%和 10%填充比例的Al 2O3/UHMWPE复合材料在钢丝环对磨情况下的磨损性能，并考虑了在不同测试速度下的情况以及测试中在钢丝环上滴加二甲基硅油润滑下的情况。采用电子显微镜观察了复合材料在几种情况下的磨损表面形貌。结果表明低速时高比例氧化铝填充的 UHMWPE复合材料摩擦性能较纯 UHMWPE;高速时高比例氧化铝填充的 UHMWPE合材料变得不耐磨了，摩擦性能比纯 UHMWPE料摩擦性能差，但加油润滑后复合材料又 非常耐磨了。关 键 词： 超高分子量聚乙烯，纳米氧化铝，复合材料，钢丝对磨，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 摩擦学概况 3 HYPERLINK l bookmark8 o Current Document UHMWPE 概况 3 HYPERLINK l bookmark10 o Current Document UHMWPE摩擦学性能 4 HYPERLINK l bookmark12 o Current Document 纳米材料 4 HYPERLINK l bookmark14 o Current Document 本课题的研究意义

4、5 HYPERLINK l bookmark16 o Current Document 第二章实验部分5立1实验试剂 5立2实验仪器 5 HYPERLINK l bookmark22 o Current Document 强3成型压力机的操作 5 HYPERLINK l bookmark24 o Current Document 强4 纯UHMWPE板的制备 6立5 Al 203/UHMWPE复合材料的制备 6 HYPERLINK l bookmark28 o Current Document 2. 6摩擦磨损性能测试 62.6.1实验仪器与试剂 6钢丝环的制作 7钢丝环线速度的设定 72.6

5、.4 Al 2Q/UHMWPE合材料样块与钢丝环对磨的测试流程 7Al 2Q/UHMWPE合材料样块在纯钢丝的滴油润滑环境下的摩擦测试7立7 电子光镜的操作 8立8样块硬度测试 8 HYPERLINK l bookmark30 o Current Document 第三章结果与讨论9 HYPERLINK l bookmark32 o Current Document 材料硬度比较 9 HYPERLINK l bookmark34 o Current Document 磨损率 9板钢丝环对磨磨损率分析 9板钢丝环对磨滴油润滑条件下磨损率分析 10 HYPERLINK l bookmark36 o

6、 Current Document 9.3 摩擦系数 11不同材料随钢丝环线速度的变化的影响 11不同钢丝环线速度因材料不同的影响 12钢丝环滴油对材料摩擦系数的影响 13 HYPERLINK l bookmark38 o Current Document 温度 14面温度随钢丝环线速度变化的影响 1415试时内部温度与切面温度的关系 15滴油对切面温度的影响 15 HYPERLINK l bookmark40 o Current Document 微观形貌分析 16 HYPERLINK l bookmark42 o Current Document 结论17 HYPERLINK l book

7、mark44 o Current Document 参考文献18 HYPERLINK l bookmark46 o Current Document 致谢19第一章前言擦学概况摩擦学(Tribology)这个词的出现是在著名的“Jost报告”之后1,因为“Jost 报告”，英国认识到以往科学界对于摩擦学领域的认识少，不够重视，值得一说的 是因为摩擦磨损正在给英国甚至全世界带去巨大的损失，英国为了让科学家重视 摩擦学的研究工作，给全世界带来巨大的经济效益，“Jost报告”工作组和牛津大 学出版英文词典增补版编辑磋商后，提出了一个新词 (Tribology)来说明摩擦学这 门学科。摩擦是人类生活中

8、不可忽视的一种自然现象，任何有运动的地方均有摩擦的 产生，伴随而来的是摩擦接触面所产生的磨损。摩擦学是研究具有现对运动、相互作用表面上各种现象(主要是摩擦、磨损、 润滑及其相对现象)产生、变化和发展的规律及其引用的一门科学和技术。就知 识结构而言，属于一门边缘学科，是因为其涉及的学科内容包括物理、化学、数 学、力学、材料、机械、测试、分析与表面技术等从其功能而言，摩擦学可以归 纳为三个主要内容，即摩擦、磨损与润滑。摩擦学的研究内容主要包括：摩擦磨损机理、润滑理论、材料及表面处理工 艺、润滑材料、摩擦学的研究方法与测试技术、新兴摩擦学领域研究2。UHMWP 概况超高分子量聚乙烯作为最为理想的高性

9、能树脂，由于其极高的分子量(150万以上)，超高分子量聚乙烯制品拥有了普通工程熟料不具备的优异性能，而被广 泛运用与纺织、造纸、食品机械、冶金、煤炭、化工等领域 3,4。相比其他各种塑料而言，超高分子量聚乙烯的耐磨性是最好的甚至超过了某 些金属，而且UHMWPE有随分子量增加其耐磨性进一步增加的特性；UHMWPE冲击强度在所有工程塑料中也是排在前列的，约为聚碳酸酯的2倍，ABS的5倍，聚甲醛和PBT的10余倍5;超高分子量聚乙烯动摩擦系数很小致使自润滑性能很好 而且价廉，所以在摩擦学领域被广泛应用；UHMWP晞度很低约为94g/cm3,在所有工程塑料中都是最小的，所以用 UHMWPE的产品都非

10、常轻；UHMWPE生无毒， 不易粘附，不结垢，还具有优异的电绝缘性能，比高分子聚乙烯耐环境应力开裂 性强很多。虽然UHMWPE很多优点，但超高分子量聚乙烯也含有的缺点。主要表现在： 热变形温度低、耐高温性能差、机械强度低、硬度低、刚度低以及加工困难。要 克服这些缺陷，都只有通过改性来实现6,7。UHMWPE性一般分为物理方法和化学方法两种 网。物理改性一般是指填充改性网。UHMWPE加剂改性是把每一种添加剂经过偶 联剂偶联处理后再添加 UHMWPE料中，进行机械搅拌均匀然后成型加工。它是科 学研究、生产加工中常用的一种改性方法。该方法能够简单、方便地满足和改善塑料多种不同性能要求，同时多数物理

11、改性不仅提高了材料性能而且可减小成本， 现已广泛采用；化学改性主要是指化学交联，用化学手段改变树脂分子形态和结构让树脂获 得新的性能10 0这种方法能够改变树脂的某些性能从而制造出新的树脂材料。化 学交联使UHMWPE吉晶度降低，韧性增加。化学改性可分为化学交联改性和辐射 改性11。化学交联改性是在UHMWPE融过程中加入适量的交联剂，是材料分子问 发生交联。交联剂的区别又化学改性可以分为偶联剂交联和过氧化物交联。辐射 交联则是对UHMWPE品进行电子射线或者丫射线持续照射以致交联。教练可增加 韧性但是交联必须适度，否则由于两交联点间的网链较短，容易使应力集中，材 料受到冲击时易断裂，又有增加

12、脆性的可能。由于化学交联相当于进一步提高了 UHMWPE分子量，所以可提高UHMWPE耐磨性。UHMWP摩擦学性能UHMWPE是高聚物的一种，其分子结构特征与聚四氟乙烯很相似，为无侧链光 滑分子分布，相邻两链之间非常容易进行相对滑动， 因UHMWPE品即使在无润滑 剂存在时，与铜或黄铜等金属表面相对滑动时也不会引起黏着现象，显示出低摩 擦系数的特性12。同时，其耐磨性随着分子量的增大而大大提高，与一般的 HDPE 相比，UHMWP的耐磨性要优良几倍到几十倍。相对于金属材料，由于UHMWPE身结构的不同，其性能受温度、时间的影响 很大，特别是黏弹性行为。因此,UHMWPE料是容易产生蠕变，其摩擦

13、磨损规律变 得很复杂，存在着蠕变-摩擦-磨损-蠕变的复合摩擦过程13 o薛俊14等人研究发 现，在摩擦/蠕变复合摩擦过程中，由于UHMWPE热的不良导体，散热性能很差， 摩擦热使UHMWP表面温度迅速升高，从而改变了材料的结构性能，大大增加了 UHMWPE蠕变速率。这说明，摩擦蠕变能通过增大 UHMWPE料的导热系数来减弱。正如伍学诚等15认为的，UHMWRE磨损过程主要有有黏着磨损，疲劳磨损和 磨粒磨损。如下所示：(1)当摩擦副表面相对滑动时，由于黏着效应所形成的粘结点发生剪切断 裂，被剪切的材料或脱落成磨屑，或有一个表面迁移到另一个表面，这类磨损称 之为粘着磨损。根据磨损的程度，粘着磨损又

14、分为：轻微黏着磨损，一般黏着磨 损，胶合磨损，擦伤磨损。在这几类粘着磨损中，胶合磨损更为严重。(2)摩擦表面在磨粒产生的循环接触应力作用下，使外界硬颗粒或者对磨表 面上的硬突起物在摩擦过程中引起表面材料脱落的现象即为磨粒磨损。而磨粒磨 损又可分为：三体磨损，二体磨损，和低应力磨粒磨损。磨粒磨损在摩擦磨损现 象中是经常出现的，它的机理目前主要有三种：微观切削，疲劳破坏，和挤压剥 落。当材料的硬度高于磨料时，可在一定程度上防止磨粒磨损。(3)两个相互滚动或滚动兼滑动的摩擦表面，在循环变化的接触应力作用 下，由于疲劳剥落而形成凹坑，统称为表面疲劳磨损或接触疲劳磨损。同样，疲 劳磨损分为以下几种：表面

15、萌生与表面萌生疲劳磨损；鳞剥与点蚀磨损。米材料纳米材料定义至少在一维尺度上具有 100nm以下尺度的材料。当材料的特征 尺度降低到纳米尺度时，会因为小尺度效应、量子效应、界面和表面效应等出现明显不同于宏观尺度下常规材料的一些全新性质，给人们带来了一个全新的研究 领域，对纳米材料的研究已经成为全世界范围内的研究重点，在干摩擦领域，纳 米材料也逐渐得到了广泛的运用。在基体中以纳米材料作为添加填充剂成为了材 料改性的重要研究领域。课题的研究意义虽然UHMWPE很多优点，但UHMWR温性和流动性差、硬度低、导热性和 抗磨粒磨损性能差，从而限制了 UHMWPE应用16。近年来国内外学者对 UHMWPE

16、改性进行了大量的研究17-20,但考虑环境因素影响的研究报道较少。因此，本文作 者研究了纳米Al2Q/UHMWPE合材料在钢丝环对磨以及滴油环境钢丝环对磨下的 摩擦磨损性能，并通过改变钢丝环线速度考虑了线速度对两种测试情况的影响。第二章实验部分验试剂表2-1实验试剂试齐型号生广J商/经销商二甲基硅油AR天津市风船化学试剂科技有限公司Al 2Q粉末TAP-A21南京天，门新材料有限公司丙酮AR;烟台市双双化工有限公司UHMWPEM2北京助剂二厂无水乙醇AR天津市风船化学试剂科技有限公司除上述之外，还有脱脂棉，保温棉，药匙，样品袋等。验仪器表2-2实验仪器仪器设备名称型号及规格r生产产家电子天平F

17、A2004Nr上海菁海仪器有限公司TES 1384输入温度记录器TES1384泰仕电子工业股份有限公司成型压力机HHYG-305r自制料理机JYL-350S九阳股份有限公司调速模具电磨S1T-KN-6上海旭龙电动工具厂邵氏橡塑硬度计LX-D 型莱州精益试验仪器有限公司砂纸240目湖北通城宝塔砂布厂型压力机的操作实验前，先把模具拆开，用银子夹着棉花沾一点二甲基硅油擦拭模具内表面 注意二甲基硅油涂抹时量要适中，过多影响样板材料分子间的结合，过少不利于 制作的样板脱模。然后，装好地板后将混合好的粉末倒入模具中，并把模具压柱 装上。再把模具放入压力机上，把温度传感器和温度计插到对应的孔中，最后给 模具

18、接上电源，调节加热电压和设定温度。注意加热电压不宜过大，不然受热不 均可能造成不熟，加热电压过低则不利于实验时间安排，浪费时间。需要加压时 把悬杆通过旋转往下降知道接触到模具压柱。需要注意的是保持悬杆和模具压柱 同一垂直线上，以防压力大时造成压力机四角受力不均造成损害。需要加压时则 压动液压杆通过压力机底座的液压机加压，通过液压机上的压力计，控制压力。纯UHMWPE的制备(1)用无水乙醇擦洗模具，以除去其表面的杂质。干燥风干除去无水乙醇后再用二甲基硅油擦(2)用电子天平称取5.6g5.8g左右的UHMWPE末，并将其全部倒入模具中。(3)进行预热过程，不加压将温度升至 60c后再保温20min

19、。预加热可以改善材 料的工艺性能，降低成型压力，进而获得性能更稳定的样块。(4)保持加热电压200V,温度升高到170c后再恒温30min。加热熔融过程进行 预加压过程，悬下压杆，将压力调至拭模具，为了方便卸下样块。2MPa恒压2min。 预加压过程有利于排出模具中粉末内的气体，使粒子之间的空隙减小，增大密实 感，从而可以减小压制过程的时间。(5)是制备过程中最重要的一步。在升温过程中，速率应该慢一些，使材料内外 受热均匀，避免应力的生成。同时，保温时间也应该严格的控制。时间过短，材 料内外烧结程度不同，导致材料不均匀。时间过长，材料外部烧结过熟，极易造 成降解老化，又延长了板的压制过程，使时

20、间安排很不合理。(6)进行恒压冷却，保持压力为 5MPa进行自然降温，直至温度降为 60Co加 压时机应选择在熔体能够拉丝并放出气体之前，保压时可以促使熔体充满模具型 腔，从而保证制品的形状和尺寸 。(7)关闭电源，开压力阀门，将样板进行脱模取出，清理模具与试验台(实验的 全程要戴手套，防止触电)。(8)样板用钢丝锯切割成3块7*6*30的样块，并用砂纸打磨光滑。然后用调速 模具电磨在样块上远离测试面打一个小孔，注意不要把样块打穿刚好能插 TES1384 输入温度记录器得传感器就行，以待测试样块在和钢丝环对磨时的内部温度。A12O3/UHMWPEM合材料的制备将UHMWPE末与AI2O粉末分别

21、按照5% 10%勺填充比例称重后用料理机机械 混和均匀，料理机每工作20秒停10秒，如此重复3分钟以使其混合均匀。再将 混合物粉末倒入模具。先进行预加热，然后预加压，冉恒温，最后恒压自然冷却 等过程，如上述2.3所述，冷却月模即可得 ALQ /UHMW附合材料的样块。擦磨损性能测试验仪器与试剂在摩擦磨损性能测试中，所用的试剂为丙酮，无水乙醇，二甲基硅油，棉花等。 实验所用仪器如下表所示，表2-3摩擦测试仪器仪器设备型号生产产家光学生物显微镜FL-305A江西枫林光学仪器有限公司磨损试验机M-2000宣化试验机厂电子数千分尺广陆数字测控股份有限公司游标卡尺上海申韩量具有限公司红外测温仪GM320

22、广州众宇旺电子科技有限公司钢丝环(大，小)大环D=20mm 小环D=31mm 钢丝 D=1.6mm自制环的制作特制的钢环半径为31mm钢丝直径为1.2mm通过计算知缠绕钢丝环所需要 的钢丝长度约为1.94m,因此我们用钳子截取2代冈丝备用。为了更好地把钢丝固定 在钢环表面我们配制了强力的胶水。在电子天平上称量20g环氧树脂置于烧杯中，再用药匙取20g聚酰胺树脂放入之前的烧杯中，混合搅拌均匀直至变成粘稠 的胶水。用刷子蘸取少量胶水均匀涂抹在钢环表面，注意胶水在表面形成很薄一 层就可以了，防止渗到钢丝表面形成薄膜，将涂抹好的钢环晾 23min。缠绕之前如果胶多了需要用药匙把多余的胶水刮去。将钢丝一

23、端穿过钢环表 面的孔，然后通过让钢丝穿过铁扣后用钳子把铁扣压扁从而固定钢丝。缠绕钢丝 的过程需要三个人协同合作，一个人固定钢环并缠绕钢丝，一个人用剪刀把钢环 上钢丝之间的缝隙压紧，使钢丝缠绕更紧，最后一个人在远处拉紧钢丝。缠好后 把钢丝另一端从另一个孔中穿过，把螺丝刀抵在钢环边缘，用锤子敲击螺丝刀压 紧边缘的钢丝，最后用铁扣固定好钢丝。钢丝环的细节处理，用铁锤磨平钢丝末端的毛刺，防止在使用的过程中出现 安全隐患。把经过处理的钢丝环放入烘箱中80度烘烤12h,使胶水固化，防止钢丝松动，至此钢丝环的制备工作全部完成。丝环线速度的设定表2-4各种钢丝环测试线速度类别小环低速大环低速小环局速大环局速线

24、速度m/s0.430.650.861.3Al 2O/UHMWPE合材料样块与钢丝环对磨的测试流程(1)测试开始前，用机油对磨损试验机进行润滑工作，保证机器正常工作并减少 噪音。用蘸着丙酮的棉花擦拭钢丝环表面，以除去钢丝环表面的杂质。(2)将样块卡紧于磨损试验机的相应位置，用蘸着丙酮的棉花擦拭样块表面，冉 将TES 1384输入温度记录器的导线插入样块的小孔内(测试前样块用调速模具电 磨打孔)。(3)打开电源，再打开相应的高速或低速档位，秒表开始计时。(4)在对应的时间刻度下，读取三个数值，即扭矩，样块与钢丝环切面温度(用 红外测温仪检测)，样块内部温度。(5)测试完毕后，关掉电源，卸下样块。2

25、.6.5 Al 2O/UHMWPE合材料样块在纯钢丝的滴油润滑环境下的摩擦测试(1)测试开始前，用机油对磨损试验机进行润滑工作，保证机器正常工作并 减少噪音。用蘸着丙酮的棉花擦拭钢丝环表面，以除去钢丝环表面的杂质。(2)打开机器低速运行，滴加5滴二甲基硅油，直到油分散均匀后停车。将样块卡紧于磨损试验机的相应位置，用蘸着丙酮的棉花擦拭样块表面，再将 TES 1384输入温度记录器的导线插入样块的小孔内（测试前样块用调速模具电磨打孔）。4）打开电源，再打开相应的高速或低速档位，秒表开始计时。测试过程中每 5min 滴加 5 滴二甲基硅油。5）在对应的时间刻度下，读取三个数值，即扭矩，样块与钢丝环切

26、面温度（用红外测温仪检测） ，样块内部温度。6）测试完毕后，关掉电源，卸下样块。电子光镜的操作材料进行钢丝环磨损性能试验后，为了更好的分析钢丝条件下的磨痕，我们用电子光镜进行放大拍摄观察，然后进行分析。电子光镜属于精密仪器需要我们进行十分规范的操作程序，避免损坏仪器，实验数据出现偏差。程序步骤分为以下几步：小心缓慢地取出显微镜， 平稳的放在实验台上， 解开绕线后接通电源，把电子目镜（型号MC-500U（E装在显微镜上，目镜连接线的USB接口与计算机上的USB 口接好。打开显微镜上的总开关和增强光开关，在计算机上找到 Web Cam companion2 软件打开，选择捕获选项，这时可以发现在计

27、算机屏幕出现显微镜载物片图像。将需要拍摄的样块放在显微镜载物台中心处，将要拍摄的样品表面处对准载物台中心点并朝上放置。需要注意的是拍摄白色样品时选择黑色载物片，其他一般选用白色载物片。此刻在计算机显示屏上并不能出现清晰的图像，需要调节放大倍数、亮度以及物镜与载物台的高度来来寻找清晰的图片，然后单击捕获就拍摄完成了。拍摄完成后先关掉电源开关，清除样品后小心缓慢地卸掉目镜并放置在保护盒里，拔掉电源调低物镜高度，收拾干净后放入木柜。值得注意的是显微镜支架上的大旋钮为调节物镜高度的旋钮，小旋钮为调节放大倍数的旋钮，两者之间需要协同，可以先确定放大倍数再调节高度，出现较为清晰的图像时进行微调。物镜离载物

28、台越近显示器出现的图像越大，放大倍数旋钮的调节范围在0.74.5 倍之间。显示器中出现的图像是倒置的，即上下左右都是相反的，在微调移动样块时需要注意不能弄错方向。显微镜左侧的光圈调节旋钮可以调节光圈明暗程度，使显示器出现清晰的图像。图像标尺的制备。在捕获好图像后，把样块取下装入小袋中，贴好标签。保持放大倍数和物镜距离不变，将游标卡尺放在载物台上，通过旋转电子目镜使得显示器捕获窗口中游标卡尺图像水平平行，同时还需要调节光圈亮度，捕获清晰的游标卡尺图像。通过图像处理将游标卡尺1mm图像加入到样品图中，注意一般一个样品对应一个图标卡尺，除非样品是在同一放大倍数下拍摄的。样块硬度测试取压力成型机制作的

29、方块样板，放在坚固水平的实验台上。在板上正反面分别取 5 个点，可以用铅笔标记一下待测。取点时采用四角各取一点，中间取一点，要注意的是四角取的点距离边沿至少10mm点取好之后，用右手握住硬度计垂直样板将压足压垂直在样板上，直到样板与压足完全接触时迅速读数。分别测试正 面和反面的5个点，再取均值。第三章结果与讨论料硬度比较表3-1材料硬度对比材料编p硬度值均值+5%Al2O3(1)5960(2)61(3)60+ 10%A2O(1)6161.33(2)62(3)61纯 UHMWPE(1)5756.33(2)56(3)56由上图表知复合材料的硬度比纯 UHMWPE硬度大。原因在于氧化铝纳米粒子 的刚

30、性大，而且纳米粒子易于分散。A12Q/UHMWPE备过程中搅拌使纳米氧化铝粒 子均匀分散在UHMWPE末中，致使复合材料的硬度提高了。损率板钢丝环对磨磨损率分析图3-1 0%、5嗨口 10项充复合材料在不同线速度钢丝对磨磨损率分析磨损率图1,对于一种材料而言随着对磨速度的增加，磨损率呈递增的趋 势，且不同氧化铝填充的 A12Q/UHMWP复合材料的递增速率不一样。纯的随对磨 速度增加磨损率增加较缓，Al 2Q/UHMWPE合材料磨损率增加较快。不同填充比例 的A12Q/UHMWPE合材料磨损率增加不一样。图3-2四种速度下的三种材料对比0.0220.0200.0180.0160.0140.01

31、20.0100.0080.0060.0040.002图3-3四种速度磨损率随材料变化曲线分析磨损率图2和图3,在小环低速（0.43m/s）时5%A2Q/UHMWPE合材料， 明显的降低了磨损率，但随着对磨速度的增加5%t匕例的复合材料磨损率依然增加。 在小环低速时磨损率随氧化铝填充比例先减后增，大环低速（0.65m/s）时磨损率随氧化铝填充比例递增，小环高速（0.86m/s）时磨损率随氧化铝填充比例递减， 大环高速（1.30m/s）时可以看做先减后增。由此，在一定范围内，低速时5%!充比例的AI2O3 /UHMW阻合材料磨损率比其他比例或者纯 UHMWPE料磨损率小，而 高速时10%（充比例的

32、Al 203 /UHMWPE合材料磨损率比其他比例或者纯 UHMWPE 料磨损率小但速度大到一定程度后，磨损率相比其他材料反而增大了。板钢丝环对磨滴油润滑条件下磨损率分析0.0100.0060.0040.0020.000 0.65m/s| | 0.86m/sI 一 1.30m/s图3-4滴油润滑时钢丝对磨各种情况下磨损率10%0.0080.0130.0120.0110.0100.0090.0080.0070.0060.0050.0040.0030.0020.0010.000图3-6线速度1.30m/s时滴油润滑图3-5线速度0.86m/s时滴油润滑根据图3-4分析得出，在滴油润滑环境下样板与钢

33、丝环对磨的速度对材料的影 响成规律变化。在一定速度范围内，一种氧化铝填充的UHMWPS合材料，钢丝环滴油润滑对磨的磨损率随对磨钢丝环线速度的增加反而递减，且速度从小变大的 过程磨损率中先下降的少后下降的多。可能的原因是速度小时一点点油润滑效果 就很好，速度大时滴油润滑润滑快达到润滑所能减小磨损率的极限，反而下降的根据图3-5和图3-6同一比例不同速度情况下，滴油润滑和不滴油润滑的对 比分析出滴油润滑使钢丝环和材料对磨磨损率大大降低了。不同比例氧化铝的复 合材料降低比例相差很大而且测试速度不同磨损率相差也较大。对于小环高速(0.86m/s)纯的UHMWPE降最多，而10%A2Q /UHMWPE合

34、材料由于速度较小时 材料样板的摩擦性能较好，滴油润滑对其影响没有纯UHMWFPE大，这说明在速度不是很大时高比例的氧化铝填充有良好的摩擦性能。对于大环高速(1.3m/s),纯UHMW阳御艮多但相比10%A2Q /UHMWPE合材料却比不上。由于10%A2Q/UHMWPE 复合材料在高速时摩擦性能不好，故在钢丝环对磨过程中滴加二甲基硅油润滑使 得磨损率大大降低。故10%A2Q/UHMWPE合材料在低速时摩擦性能很好，在高速 时却不好，如果能在高速摩擦时滴加油润滑则材料将变得耐磨，比之纯 UHMWPE 料有更好的摩擦性能。摩擦系数同材料随钢丝环线速度的变化的影响图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纯UHMWPE擦系数随钢丝环对磨速度变化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图3-8 5%Al 2Q/UHMWP复合材料图 3-9 10%Al 2Q/UHMWP复合材料-20246810 1214 1618 2022 24 2628 30

36、 32t/min图3-10线速度0.43m/s钢丝对磨图3-11线速度0.65m/s钢丝对磨综合图3-7、图3-8和图3-9分析知，纯UHMW辟E 5% 10%A2Q/UHMWPE合 材料随着对磨线速度的增加都是有一个先降后升的过程，而且不同比例氧化铝填充的复合材料摩擦系数最低对应的线速度还不一样；纯UHMWPE 5%A2O/UHMWPE复合材料在大环低速（0.68m/s）时摩擦系数最低，然而 10%A2O/UHMWP复合材料则在小环低速（0.43m/s）时摩擦系数最低。由此，每个比例的UHMWPE该对应一个“最佳”线速度，在此速度时摩擦系数达到最小，速度减小和增大都会使 摩擦系数增大。不同钢

37、丝环线速度因材料不同的影响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 图3-13线速度1.30m/s钢丝对磨-202468 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32t/mintn 0.14i cf0 0.12 cn。0.080.060.04图3-12线速度0.86m/s钢丝对磨综合图3-10、3-11、3-12、3-13分析知，小环低速（0.43m/s）时纯的UHMWPE 摩擦系数最大，氧化铝比例越大摩擦系数越小；大环低速（0

38、.65m/s）时 10%A2Q/UHMWP复合材料摩擦系数最大，填充氧化铝比例越大，摩擦系数越大； 小环高速（0.86m/s）时又恢复到和小环低速一样的规律，填充氧化铝比例越大摩 擦系数越小；大环高速（1.30m/s）时，由于对磨速度快使 ALQ/UHMWPg合材料 温度急剧升高，UHMWF耐热冲击性能不是很好，样板测试时融化使实验无法继 续进行，大概都只测试到12分钟左右，但我们分析摩擦系数图在高速大环的走势， 可以知道高速大环时的规律应该和高速小环类似，也是氧化铝比例越大，摩擦系 数越大。由此，我们猜测 AI2Q/UHMWP复合材料的摩擦系数随对磨钢丝环线速度 应该呈一种周期性的变化，如果

39、一个速度范围内Al 2Q/UHMWPEE合材料中氧化铝填充比例越大，摩擦系数越小，那么紧接着下一个速度范围内，氧化铝填充比例 越大，摩擦系数越大。如此周期变化，在每一个周期内都有一个最佳点，具摩擦 系数最小。钢丝环滴油对材料摩擦系数的影响根据图3-14、图3-15和图3-16知，材料样板在与钢丝环对磨时在钢丝环上 间隔时间滴加二甲基硅油使材料样板的摩擦系数大大降低。对于纯UHMWPE言，不加油润滑钢丝环在不同线速度时的摩擦系数相差特别大，达到0.05,说明线速度对于材料样板的影响巨大。现在在钢丝环上加油润滑，纯UHMWPE料的摩擦系数受到钢丝环线速度的影响趋于无，图 3-14中在滴油后三个线速

40、度对应的摩擦系 数趋于相等；5%ffi 10%A2Q/UHMWPET合材料在滴油前后摩擦系数差值相比于纯 UHMWPE料较小，但在大环高速（1.30m/s）时润滑效果明显，在钢丝环线速度较 低时滴油有一定的润滑效果但不是很显著。由此，速度很低时由于UHMWPE自润滑作用，摩擦系数本来就不高，滴油对材料摩擦系数影响不是很大。但高速时超 出了材料的自润滑限度，滴油将很大程度地减小摩擦系数，对于纯UHMWPE为如此。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图3-14纯UHMWPE油润滑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图 3-15 5%Al 2Q/UHMWP嘀油润滑图 3-16 10%Al 2Q/UHMWP嘀油润滑度面温度随钢丝环线速度变化的影响对于一种复活材料其测试时切面温度随对磨钢丝环线速度的增大而增大。

43、线速度较低时钢丝环与复合材料的切面温度呈上升走势，一定时间后切面温度趋于稳 定在某一值，保持直至测试结束。.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图3-18纯UHMWPE度变化图图3-17 10%Al 2Q/UHMWP温度变化图试时内部温

44、度与切面温度的关系_=一切面温度_内部温度05050505050 50598877665544 3 3 2 p/erut OTenmAT20_一纯切面温度_5%切面温度-T-10%切面温度A纯内部温度.中5%内部温度*110%, 10%内部温度-202468 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32t/min图3-19纯UHMWPE环高速图3-20小环高速时内部温度和切面温度对比根据图3-19和图3-20,内部温度普遍都比切面温度高，温度开始变化时内部 温度切面温度低但随着测试的进行，热量逐步传入内部，是材料升温，内部温度 升高。内部温度相比切面温度而言，热量不易

45、流失，温度很难降低。而切面温度 是材料与钢丝环接触面的温度受空气流动等的影响热量易流失，所以切面温度普遍比内部温度低一些。不同比 例的UHMWPE合材料的样板内部温度都是比切面温度高。 3.4.3滴油对切面温度的影响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图3-21纯UHMWPE钢丝环0.86m/s时滴油与否的区别根据图15知，滴油使钢丝环与材料样板切面温度比未滴油时低很多。切面温 度都是先上升然后维持在一定数值范

46、围内波动，波动的原因可能是人工测量时的 偶然误差、材料样板不时完全均匀和钢丝环上钢丝面不是完全一样等原因造成的。 而造成切面温度在滴油前后相差较大的原因可能有三点：1、二甲基硅油在钢丝环上的散失带走了热量，是切面温度降低；2、滴油使摩擦系数普遍降低，因为摩擦 系数的降低使切面处滑动摩擦产生的热量减少，使切面温度降低；3、实验时由于滴油使材料样板在与钢丝环对磨时也沾上很多油，油的渗透使样板与卡座之间产 热更快，热量散失而切面温度降低。观形貌分析图3-22滴油润滑复合材料表面图3-23未滴油润滑复合材料表面图3-22为滴油润滑大环高速（1.30m/s）钢丝环对磨测试情况下的 5%A2O/UHMWP

47、E合材料表面，图3-23为未滴油润滑小环高速钢丝环对磨测试情 况下的5%A2Q/UHMW限合材料表面。分析图3-22表面较平整，且均匀，划痕较 浅，材料较耐磨。图3-23为纯UHMW唯与纯钢丝的钢环对磨时表面微观形貌图，由图可知， 材料表面大体较为平整，但沿滑动方向磨痕较深，且有沟槽出现，这些沟槽沿着 表面层与次表面层而相互连接，明显的塑性变形，有大小不一的凹坑出现，在垂 直于滑动方向有大量的纵向沟槽且尺寸较大，这是疲劳剥落所致，推测是填料粒 子在材料中分散不够均匀，属于黏着磨损和磨粒磨损的共同作用。结论通过实验得出结论：(1)对于未改性的超高分子量聚乙烯材料来说，Al 2Q/UHMWP复合材料在低速钢丝环对磨时有较好的摩擦学性能，且氧化铝填充比例越大越耐磨，但随着材料与钢丝环对磨速度的增加，复合材料将变得不再耐磨，而且其相对较高的磨损率会降低材料的使用寿命。纯 UHMWPE料在高速钢丝环对磨时反而比有氧化铝填 充的复合材料耐磨了。(2)在滴加二甲基硅油润滑的钢丝环对磨情况下，在低速时纯UHMWPE料相对于AI2Q/UHMWP复合材料磨损率降低的多，且氧化铝填充比例越大下降的越 少；在高速时情况刚好相反，高比例的氧化铝纳米粒子填充的复合材料磨损率下降最多，变