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纳米SiO_2/玻璃微珠改性UHMWPE复合材料空蚀特性研究

作　者: 何剑雄
导　师: 郭源君
学　校: 湖南科技大学
专　业: 材料学
关键词: 水轮机抗空蚀涂层超高分子量聚乙烯纳米SiO2 玻璃微珠
分类号: TB332
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

水力机械过流部件的空蚀破坏历来为人们所广泛关注,我国西南河流流经喀什特地貌地区,流速高且水流中携带大量的气泡,当水流通过水轮机过流部件时造成严重的空蚀磨损,研究和开发新型抗空蚀材料一直是人们寻求解决水力机械空蚀的主要途径。本论文设计了纳米SiO₂/玻璃微珠/超高分子量聚乙烯（UHMWPE）复合材料体系,并通过压制烧结工艺制备出复合材料,考察了复合材料的硬度、冲击韧性、弹性模量和摩擦学性能,研究了复合材料的空蚀性能和空蚀机理,以此为基础进一步分析了材料空蚀率与材料主要机械性能的相关性。主要结论如下:1、改性后的纳米SiO₂和玻璃微珠在UHMWPE基体具有良好的分散性,纳米SiO₂和玻璃微珠的加入不仅可以提高UHMWPE材料表面硬度,同时还保持着较高的冲击韧性和弹性性能。与纯UHMWPE相比,复合材料耐磨损性能更好,磨损机制主要表现为不同程度的粘着磨损和疲劳磨损。2、相比纯UHMWPE,复合材料具有更好的抗空蚀性能,其中含4%纳米SiO₂和6%玻璃微珠组分的复合材料抗空蚀性能显著提高,这可解释为纳米SiO₂和玻璃微珠的加入使得空蚀裂纹的扩展受阻和钝化,提高了热传导性能,使空蚀时的冲击能量能快速传递开来,产生的热量被迅速带走。3、纳米SiO₂和玻璃微珠填充的UHMWPE复合材料空蚀损伤机理主要是由于气泡溃灭产生高速冲击波或微射流使材料表面产生塑性变形和孔洞,进而裂纹萌生、扩展导致材料剥落。4、复合材料抗空蚀性能与其机械性能密切相关,通过拟合,制备的复合材料硬度相关指数值在1.2².3之间,冲击韧性指数值0.3,弹性模量指数值在-1^-2之间,即复合材料空蚀率与表面硬度、冲击韧性和弹性模量倒数成正比。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-10
第一章绪论  10-19
  1.1 空蚀  10-12
    1.1.1 空蚀机理  10-11
    1.1.2 国内外研究现状  11
    1.1.3 水流对空蚀破坏程度的影响  11-12
  1.2 水力机械抗空蚀研究进展  12-13
    1.2.1 水力机械运行条件对空蚀的影响  12
    1.2.2 水力机械的流道表面特性对空蚀的影响  12-13
    1.2.3 水质对空蚀的影响  13
  1.3 抗空蚀材料研究  13-18
    1.3.1 材料性能对空蚀的影响  14-15
    1.3.2 抗空蚀金属表面涂层材料研究  15-16
    1.3.3 抗空蚀非金属材料研究  16-18
  1.4 本文的主要研究内容  18-19
第二章实验内容和方法  19-33
  2.1 复合材料制备  19-26
    2.1.1 原材料及其复合材料体系设计  19-22
    2.1.2 制备机理和工艺选择  22-26
  2.2 复合材料机械性能实验  26-27
    2.2.1 硬度测试  26
    2.2.2 冲击韧性测试  26-27
    2.2.3 压缩强度测试  27
  2.3 复合材料摩擦磨损实验  27-30
    2.3.1 滑动摩擦磨损实验内容、方法与设备  28-29
    2.3.2 摩擦因数和磨损率测试  29-30
  2.4 复合材料空蚀磨损实验  30-33
    2.4.1 空蚀磨损试验装置和试验原理  30-32
    2.4.2 空蚀磨损实验方法与内容  32-33
第三章复合材料机械性能和摩擦学性能研究  33-48
  3.1 UHMWPE 及其复合材料微观组织结构  33-34
  3.2 纳米SiO_2、玻璃微珠对复合材料硬度的影响  34-36
  3.3 纳米SiO_2、玻璃微珠对复合材料冲击韧性的影响  36-37
  3.4 纳米SiO_2、玻璃微珠对复合材料弹性模量的影响  37-39
  3.5 摩擦磨损实验结果与讨论  39-46
    3.5.1 填料含量对复合材料摩擦磨损特性的影响  39-42
    3.5.2 滑动速度对复合材料摩擦磨损特性的影响  42
    3.5.3 载荷对复合材料摩擦磨损特性的影响  42-43
    3.5.4 磨损表面形貌分析  43-46
  3.6 本章小结  46-48
第四章复合材料空蚀特性研究  48-55
  4.1 填料质量分数对复合材料空蚀磨损特性的影响  48-50
    4.1.1 玻璃微珠质量分数对复合材料空蚀磨损特性的影响  48-49
    4.1.2 填料质量分数总量为10%对复合材料空蚀磨损特性的影响  49-50
  4.2 复合材料的表面三维形貌分析  50-51
  4.3 复合材料空蚀磨损表面形貌分析  51-54
  4.4 本章小结  54-55
第五章空蚀率与主要性能参数相关性研究  55-65
  5.1 硬度对复合材料空蚀率的影响  55-56
  5.2 冲击韧性对复合材料空蚀率的影响  56-58
  5.3 弹性模量对复合材料空蚀率的影响  58-60
  5.4 摩擦因素对复合材料空蚀率的影响  60-61
  5.5 空蚀率与材料主要性能参数的相关性分析  61-64
  5.6 本章小结  64-65
第六章全文主要成果、结论及研究展望  65-67
  6.1 全文的主要成果、结论  65-66
  6.2 研究展望  66-67
参考文献  67-71
致谢  71-72
附录A：攻读硕士学位期间的研究成果  72

纳米SiO_2/玻璃微珠改性UHMWPE复合材料空蚀特性研究

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