具有自身选择性转移效应的改性超高分子量聚乙烯的摩擦学特性研究

摘要

铜合金对钢在排除铜氧化的边界润滑剂中摩擦时产生的一种特殊的、其成分有选择性的金属转移效应称为选择性转移。以往关于选择性转移的研究，主要是以铜-钢或钢-钢摩擦副为对象，在各种选择性转移介质，例如甘油、三乙醇胺或添加了选择性转移添加剂的润滑剂的边界润滑条件下开展的；然而，对于能自身产生选择性转移效应而无需选择性转移介质润滑的聚合物复合材料的研究却鲜见报道。 该文将选择性转移原理应用于聚合物材料的改性，根据选择性转移要素对聚合物复合材料结构进行摩擦学设计，聚合物复合材料摩擦学设计的目标是：将聚合物复合材料构成为一种无需外加选择性转移介质润滑，而能够在与钢干摩擦过程中形成选择性转移系统，自动实现选择性转移效应的新型聚合物复合材料。为此，该文选用超高分子量聚乙烯(UHMWPE)这种优异的热塑性塑料类摩擦学材料为基体，以Schiff碱铜络合物和甘油－聚乙烯微胶囊作为添加成分，通过共混改性技术，研制成功一种用15％Schiff碱铜络合物加5％甘油－聚乙烯微胶囊改性的UHMWPE(记作SCG-UHMWPE)复合材料；并且通过摩擦学试验证实了这种SCG-UHMWPE复合材料的自身选择性转移特性。 销－盘摩擦磨损试验和环一块摩擦磨损试验表明，SCG-UHMWPE复合材料作为静件(销或块试样)与GCr15钢(盘或环试样)配副进行干摩擦，在轻载和高的相对滑动速度(1.3m/s、2.6m/s、3.9m/s和4.4m/s)下，都能正常运行；当相对滑动速度足够高(例如2.6m/s、3.9m/s和4.4m/s)时，SCG-UHMWPE/GCr15钢摩擦副的摩擦磨损特性比纯UHMWPE/GCr15钢摩擦副和铜粉改性的UHMWPE/GCr15钢摩擦副的摩擦磨损特性有显著的改善。在环一块摩擦磨损试验中，SCG-UHMWPE/GCr15钢摩擦副在3.9m/s的相对滑动速度能正常运行，而纯UHMWPE/GCr15钢摩擦副和铜粉改性的UHMWPE/GCr15钢摩擦副却不能正常运行。在较低的相对滑动速度(1.3m/s)下使用这种聚合物复合材料，它与纯UHMWPE相比，也基本上不降低摩擦磨损性能，这是十分难能可贵的材料性能。 在干摩擦条件下，SCG-UHMWPE/GCr15钢摩擦副的摩擦磨损特性不同于纯UHMWPE/GCr15钢摩擦副。纯UHMWPE/GCr15钢摩擦副的摩擦学行为可用塑料摩擦学的一般理论解释，但塑料摩擦学的一般理论解释不了SCG-UHMWPE/GCr15钢摩擦副的摩擦磨损特性。SCG-UHMWPE/GCr15钢摩擦副的摩擦学行为只能用选择性转移机理合理地加以解释：足够高的相对滑动速度所产生的摩擦热，优先使熔点比UHMWPE低的作为填料的甘油－聚乙烯微胶囊的囊壁材料普通低分子量聚乙烯熔化，释放出甘油介质；摩擦变形作用使填料Schiff碱铜络合物分解，释放出铜原子；从而与钢对偶件共同构成选择性转移的系统。于是，SCG-UHMWPE/GCr15钢摩擦副产生选择性转移效应，显著改善其摩擦磨损特性，而无需附加选择性转移介质润滑。 在该文中，对SCG-UHMWPE/GCr15钢摩擦副产生选择性转移效应的现象，通过扫描电镜、能谱分析及光学显微镜等手段进行了观察和分析，证实了用15％Schiff碱铜络合物加5％甘油－聚乙烯微胶囊改性的UHMWPE复合材料的自身选择性转移特性。 在该文中，还将甘油这种经典的选择性转移介质和传统矿物油对纯UHMWPE/GCr15钢摩擦副、铜粉改性的UHMWPE/GCr15钢摩擦副和SCG-UHMWPE/GCr15钢摩擦副进行边界润滑对比试验，用该试验进一步证实了用15％Schiff碱铜络合物加5％甘油－聚乙烯微胶囊改性的UHMWPE复合材料是一种无需外加选择性转移介质润滑，而能够在与钢干摩擦过程中形成选择性转移系统，自动实现选择性转移效应的新型UHMWPE复合材料。与纯UHMWPE比较，15％Schiff碱铜络合物加5％甘油－聚乙烯微胶囊改性的UHMWPE复合材料具有的另外的优点有：载荷、对偶钢件的表面粗糙度和对偶钢件氮化处理均对15％Schiff碱铜络合物加5％的甘油－聚乙烯微胶囊改性的UHMWPE的稳定摩擦系数影响很小，而这些因素对纯UHMWPE的稳定摩擦系数影响显著。

目录

文摘

英文文摘

第一章综述

1.1摩擦学行为的系统特性

1.2UHMWPE的结构与性能

1.3 UHMWPE的应用

1.4对UHMWPE的有关研究

1.5选择性转移机理及其在UHMWPE改性上的应用

1.6本文主要研究内容

第二章复合添加剂的制备

2.1 前 言

2.2甘油-聚乙烯微胶囊的制备

2.3 Schiff碱铜络合物的合成

第三章UHMWPE及其复合材料的研制

3.1成型方法的选择

3.2试验设备

3.3模压成型过程

3.4试验材料

3.5偶联剂

3.6试验研制的UHMWPE及其复合材料

第四章UHMWPE在干摩擦条件下的摩擦学行为(销-盘摩擦试验)

4.1试验条件及试验方法

4.2干摩擦和较高滑动速度下，UHMWPE作为静件与钢配副的摩擦行为

4.3本章小结

第五章Schiff碱铜加甘油改性的UHMWPE在干摩擦条件下的摩擦学行为及其选择性转移效应(销-盘摩擦试验)

5.1 Schiff碱铜加甘油改性的UHMWPE与钢干摩擦与摩擦行为的一般规律

5.2载荷对Schiff碱铜加甘油改性的UHMWPE与钢干摩擦行为的影响

5.3对偶件钢的粗糙度对Schiff碱铜加甘油改性的UHMWPE干摩擦行为的影响

5.4本章小结

第六章Schiff碱铜加甘油改性的UHMWPE的摩擦学特性及其选择性转移效应(环-块摩擦磨损试验)

6.1试验方法

6.2干摩擦条件下Schiff碱铜加甘油改性的UHMWPE的摩擦学特性及其选择性转移效应

6.3甘油润滑下Schiff碱铜加甘油改性的UHMWPE的摩擦学特性及其选择性转移效应

6.4 N68基础矿物油润滑下的摩擦行为

6.5本章小结

第七章全文主要成果、结论及研究展望

7.1本文主要成果和结论

7.2对本方向的研究展望

参考文献

致谢

附录 攻读硕士期间的主要工作及发表的论文