钛合金表面陶瓷/超高分子量聚乙烯复合涂层的制备及摩擦学研究

摘要

钛合金具有生物相容性好、弹性模量低的优点，却存在摩擦性能差、硬度低、润湿性不足等问题，这在很大程度上限制了其在生物医学领域的摩擦和磨损部件上的应用。因此，改善钛合金的摩擦学性能具有重要意义。 本文从表面织构形貌、硬质陶瓷骨架和自润滑有机涂层等方面设计适用于钛合金的减摩耐磨涂层。采用激光表面织构化(LST)技术构建规则分布的微孔阵列，研究表面织构对磨粒的捕获以及润滑条件下产生的流体动压润滑效应。采用等离子电解氧化(PEO)技术制备硬质耐磨陶瓷骨架，研究并优化电解液配比和工艺参数，研究硬质陶瓷涂层对复合涂层整体的承载作用。采用超高分子量聚乙烯(UHMWPE)作为表面自润滑有机涂层，研究超高分子量聚乙烯对LST/PEO/UHMWPE复合涂层耐磨性能的影响。采用石墨烯对超高分子量聚乙烯进行填充改性，研究石墨烯对LST/PEO/UHMWPE复合涂层的硬度、亲水性和摩擦学性能的影响。 研究了钛合金表面复合涂层在干摩擦时和水润滑时的摩擦学性能，探讨了表面织构、硬直陶瓷骨架和自润滑有机涂层等对摩擦学性能的影响，分析了复合涂层的形成以及失效规律。通过场发射扫描电镜(FE-SEM)观察复合涂层的表面形貌和磨痕形貌，通过X射线衍射(XRD)分析复合涂层的物相构成，通过维氏硬度计测量复合涂层的硬度，使用销-盘摩擦试验机进行摩擦学实验，使用称重法测量复合涂层的磨损率。 结果表明，在优化的织构参数（孔径200μm，面密度20％）、优化的电解液(NaAlO212g/L、Na3PO41.6g/L、NaOH0.3g/L)和电解参数（初始电压450V、脉冲频率400Hz、占空比20％）下，涂层表面的超高分子量聚乙烯使得复合涂层表现出良好的耐磨性，摩擦系数为0.06，磨损率为1.05×10-6mm3(N×m)-1，与钛合金基底相比低了一个数量级。 以石墨烯对超高分子量聚乙烯进行填充改性，石墨烯的吸附作用使得超高分子量聚乙烯的颗粒变得细小，涂层表面变得更加光滑致密;亲水性得到了提高，加入3wt.％石墨烯时，接触角从80°降低至60°;水润滑时的摩擦学性能得到显著改善，摩擦系数降低至0.03，磨损率降低至为0.076×10-6mm3(N×m)-1。

目录

声明

摘要

1绪论

1．1课题背景

1．2激光表面织构化

1．2．1激光表面织构化概述

1．2．2织构化结构减磨耐磨原理

1．3等离子电解氧化

1．3．1等离子电解氧化概述

1．3．2等离子电解氧化涂层制备方法

1．3．3等离子电解氧化涂层质量影响因素

1．3．4钛合金等离子电解氧化涂层的性能

1．4超高分子量聚乙烯

1．4．1超高分子量聚乙烯概述

1．4．2超高分子量聚乙烯的结构

1．4．3超高分子量聚乙烯的性能

1．4．4超高分子量聚乙烯的改性研究

1．5石墨烯

1．5．1石墨烯概述

1．5．2石墨烯的制备方法

1．5．3石墨烯的应用

1．6钛合金表面改性以及摩擦学研究进展

1．6．1化学改性方法

1．6．2物理改性方法

1．7研究的目的、意义

2实验材料和方法

2．1研究技术路线

2．2实验原料

2．3涂层的制备

2．3．1激光表面织构化处理

2．3．2等离子电解氧化处理

2．3．3超高分子量聚乙烯涂层的涂覆

2．4涂层形貌及组分分析

2．5．2润湿性测试

2．5．3摩擦学性能测试

2．5．4结合强度测试

3激光表面织构化(LST)

3．1引言

3．2 LST处理后钛合金表面形貌

3．3 XRD分析

3．4不同润滑条件下具有表面织构的钛合金摩擦学性能研究

3．4．1干摩擦时，LST处理对钛合金摩擦学性能的影响

3．4．2水润滑时，LST处理对钛合金摩擦学性能的影响

3．4．3 LST涂层表面的磨痕形貌

3．5本章小结

4等离子电解氧化涂层(PEO)

4．1前言

4．3 LST／PEO涂层形貌

4．4 LST／PEO涂层的XRD图谱

4．5 LST／PEO涂层的硬度

4．6 LST／PEO涂层的结合强度

4．7 LST／PEO涂层的摩擦磨损实验

4．8本章小结

5 LST／PEO／UHMWPE复合涂层

5．1前言

5．3激光表面织构化对复合涂层摩擦磨损性能的影响

5．3．1不同孔径的织构结构对复合涂层摩擦磨损性能的影响

5．3．2不同面密度的织构结构对复合涂层摩擦磨损性能的影响

5．4等离子电解氧化电参数对复合涂层的影响

5．4．1电参数对复合涂层硬度的影响

5．4．2电参数对复合涂层的摩擦磨损性能的影响

5．5 UHMWPE对复合涂层的影响

5．5．1前言

5．5．2不同浓度的超高分子量聚乙烯溶液制备出的复合涂层截面形貌图

5．5．3超高分子量聚乙烯涂层的厚度对复合涂层硬度的影响

5．5．4超高分子量聚乙烯涂层的厚度对复合涂层摩擦磨损性能的影响

5．6 LST／PEO／UHMWPE复合涂层摩擦学机理分析

5．7本章小结

6 LST／PEO／UHMWPE／石墨烯复合涂层的性能研究

6．1前言

6．2复合涂层的表面形貌

6．3复合涂层的XRD分析

6．4复合涂层的的润湿性

6．5复合涂层的的硬度

6．6复合涂层的结合强度

6．7复合涂层的摩擦学性能

6．7．1干摩擦时，石墨烯的质量分数对复合涂层的摩擦学影响

6．7．2水润滑时，石墨烯的质量分数对复合涂层的摩擦学影响

6．8复合涂层的磨痕形貌

6．8．1干摩擦时，复合涂层的磨痕形貌

6．8．2水润滑时，复合涂层的磨痕形貌

6．9复合涂层的摩擦学机理分析

6．10本章小结

7结论

致谢

参考文献

附录