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UHMWPE/CSW复合材料摩擦学性能研究

作 者: 甘立慧
导 师: 牛永平
学 校: 河南科技大学
专 业: 高分子化学与物理
关键词: 超高分子量聚乙烯 填充改性 硫酸钙晶须 纳米Al2O3 协同作用 摩擦磨损
分类号: TB332
类 型: 硕士论文
年 份: 2010年
下 载: 74次
引 用: 2次
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内容摘要


超高分子量聚乙烯(UHMWPE)具有优良的自润滑性能、耐化学腐蚀和良好的耐磨性能,是一种综合性能优异的工程塑料。但作为摩擦材料,UHMWPE存在着表面硬度低、抗磨粒磨损性能较差等缺点。本论文工作选择了以硫酸钙晶须(CSW)为主要填料对UHMWPE进行了填充改性,以期在提高UHMWPE复合材料硬度的基础上改善其摩擦磨损性能。本实验通过热压成型法分别制备了CSW、纳米氧化铝(nano-Al2O3)和nano-Al2O3/CSW二元复合填料的UHMWPE复合材料;利用QG-700型气氛高温摩擦磨损试验机考察了UHMWPE复合材料在干滑动摩擦条件下的摩擦磨损性能,着重研究了填料填充量对复合材料硬度、摩擦磨损性能的影响,以及速度、表面改性剂对UHMWPE复合材料摩擦磨损性能的影响。利用扫描电子显微镜(SEM)、能谱仪(EDS)、三维轮廓测定仪(3D)对复合材料磨擦表面进行了形貌表征、成分分析及磨痕宽度测量,用邵氏硬度计测量了复合材料表面硬度。研究结果表明:(1)CSW可以提高UHMWPE/CSW复合材料的硬度、耐磨损性能、并且降低了摩擦系数,在本实验条件下,CSW最佳填充量为20%;随着速度的增加,复合材料的磨损率逐渐降低,摩擦系数有所增加;随着填充量的增加,复合材料磨损机理由粘着磨损、塑性变形逐渐转变为轻微的磨粒磨损;CSW在UHMWPE基体中具有一定的异相成核作用。(2)填充nano-Al2O3可以起到增加UHMWPE复合材料硬度、降低其摩擦系数、改善摩擦磨损性能的作用,nano-Al2O3较佳填充量为20%,微观分析表明,UHMWPE/nano-Al2O3复合材料的磨损机理主要为粘着磨损,磨损表面还存在少量划痕。(3)nano-Al2O3与CSW混合填充UHMWPE具有协同作用,可以协同提高UHMWPE复合材料的硬度和耐磨损性能。CSW主要起着承载的作用,nano-Al2O3则起到弥散强化复合材料显微增强的作用。UHMWPE/3%nano-Al2O3+20%CSW复合材料的摩擦磨损性能最佳,在对偶件表面存在着较好的转移膜。以上研究结果表明,选用合适的填料协同填充改性是一种改善UHMWPE复合材料摩擦学性能较好的方法,值得进一步研究。

全文目录


摘要  2-4
ABSTRACT  4-9
第1章 绪论  9-20
  1.1 摩擦学简介  9-11
    1.1.1 摩擦的定义和相关分类  9-10
    1.1.2 磨损的定义和相关分类  10
    1.1.3 影响滑动摩擦的因素  10-11
  1.2 实验所用材料  11-14
    1.2.1 超高分子量聚乙烯  11-13
    1.2.2 填料简介  13-14
  1.3 UHMWPE 的改性方法  14-15
    1.3.1 UHMWPE 改性方法的物理化学分类法  14
    1.3.2 UHMWPE 改性方法简介  14-15
  1.4 填充改性UHMWPE 复合材料的摩擦学研究进展  15-18
    1.4.1 单一填料填充改性  15-17
    1.4.2 多种填料混合填充改性  17-18
  1.5 填料表面改性  18-19
  1.6 本课题的主要研究内容  19-20
第2章 摩擦学试验的设备和方法  20-29
  2.1 主要原料和设备  20
  2.2 溶剂及偶联剂的选取  20-22
  2.3 UHMWPE 复合材料的制备  22-25
    2.3.1 填料与基体的混合  22-24
    2.3.2 UHMWPE 复合材料试样的成型工艺  24-25
  2.4 摩擦副材料  25
  2.5 试验方案  25-28
    2.5.1 单一填料填充改性  27-28
    2.5.2 混合填料填充改性  28
    2.5.3 微观分析  28
  2.6 摩擦试验前的准备工作  28
  2.7 复合材料耐磨性衡量指标  28-29
第3章 UHMWPE/CSW 复合材料摩擦学性能研究  29-38
  3.1 不同因素对复合材料摩擦学性能的影响  29-32
    3.1.1 填充量对UHMWPE/CSW 复合材料硬度的影响  29-30
    3.1.2 填充量对UHMWPE/CSW 复合材料摩擦学性能的影响  30-31
    3.1.3 滑动速度对UHMWPE/CSW 复合材料摩擦学性能的影响  31-32
    3.1.4 不同表面改性剂对UHMWPE/CSW 复合材料摩擦学性能的影响  32
  3.2 UHMWPE/CSW 复合材料的表面微观形貌分析  32-34
  3.3 UHMWPE/CSW 复合材料脆断面形貌分析  34-35
  3.4 复合材料偏光显微分析  35-37
  3.5 小结  37-38
第4章 UHMWPE/nano-Al_2O_3复合材料摩擦学性能研究  38-44
  4.1 填充量对复合材料摩擦学性能的影响  38-40
    4.1.1 nano-Al_2O_3 含量与复合材料硬度的关系  38
    4.1.2 nano-Al_2O_3 含量对复合材料摩擦学性能的影响  38-40
  4.2 复合材料磨损表面形貌分析  40-42
  4.3 复合材料磨损表面能谱分析  42-43
  4.4 小结  43-44
第5章 nano-Al_2O_3与 CSW 协同填充 UHMWPE 复合材料摩擦学性能研究  44-51
  5.1 不同因素对复合材料摩擦学性能的影响  44-46
    5.1.1 nano-Al_2O_3 含量对 UHMWPE/nano-Al_2O_3+20%CSW 复合材料硬度的影响  44-45
    5.1.2 nano-Al_2O_3 含量对 UHMWPE/nano-Al_2O_3+20%CSW 复合材料摩擦学性能的影响  45
    5.1.3 滑动时间对 UHMWPE/nano-Al_2O_3+20%CSW 复合材料摩擦系数的影响  45-46
  5.2 微观形貌及磨损机理分析  46-49
    5.2.1 复合材料磨损表面形貌及能谱分析  46-48
    5.2.2 对偶面磨屑及转移膜形貌分析  48-49
  5.3 填料协同机理分析  49-50
  5.4 小结  50-51
第6章 结论  51-52
参考文献  52-56
致谢  56-57
攻读硕士学位期间的研究成果  57

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中图分类: > 工业技术 > 一般工业技术 > 工程材料学 > 复合材料 > 非金属复合材料
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