桥梁球形支座用新型复合滑板材料的结构、性能与机理研究

摘要

近年来，各类桥梁建设工程持续增加并保持高速发展，桥梁球形支座由于具备受力均匀、承载力大、转矩小等优势而广泛应用于公路、铁路及市政建设等领域。伴随着新材料的开发与利用，支座滑板耐磨材料也在发生日新月异的变化。桥梁支座耐磨材料是支座中非常重要的滑动部件，发挥着承压传力的作用，其性能好坏直接影响桥梁支座的使用寿命和安全性能。
　　 超高分子量聚乙烯(UHMWPE)具有许多优良性能，尤其是高耐磨性和低摩擦系数表现突出。本世纪初，德国毛勒(Maurer)公司率先提出将改性UHMWPE作为支座耐磨材料应用于高速铁路及磁悬浮列车领域。UHMWPE经过改性后克服了聚四氟乙烯(PTFE)易冷流、磨损率高等缺点，更适合用作支座耐磨材料。据报道，我国已将UHMWPE滑板应用在武广客运专线，在今后还将具有广阔的应用前景。
　　 基于以上应用前景，本研究设计采用空心玻璃微球(hollow glassbeads，GB)和二硫化钼(MoS2)来改性UHMWPE，其添加量分别为1％、3％、5％、7％和10％。针对UHMWPE与无机填料存在界面结合不紧密等问题，本研究以聚四氢呋喃醚二元醇(PTMG2000)和甲苯二异氰酸酯(TDI)为主要原料，设计合成了一种反应型高分子量界面剂(BH509)解决上述问题，其数均分子量在2000以上，异氰酸酯含量为6.45％。UHMWPE复合材料是通过KH550和B509两种界面剂处理填料表面后经过模压成型来制备的，并对UHMWPE/GB和UHMWPE/MoS2两个系列复合材料的力学性能、热性能及摩擦磨损性能进行了测试，还利用红外光谱(IR)分析了填料的表面改性情况。材料断面及磨损表面形貌采用扫描电镜(SEM)来观察。为模拟重载铁路中滑板的实际使用情况，还对本实验中制备的UHMWPE滑板进行了长时限压缩形变实验，并利用五元件Maxwell模型对其应力松弛行为进行了分析。主要研究结果如下:
　　 1.界面剂BH509可以很好地包覆在填料表面，处理效果要好于KH550。
　　 2.UHMWPE改性后力学强度降低，并与填料含量成反比。UHMWPE/GB复合材料热性能及硬度均有所提高，当GB含量不超过5％时，拉伸强度在35MPa以上，断裂伸长率在280％以上，硬度在71°，维卡软化点为135℃;UHMWPE/MoS2复合材料的力学性能及热性能相对较差，MoS2含量在3％时，拉伸强度为35MPa，断裂伸长率为250％，维卡软化温度点129℃，硬度68.5°。
　　 3.UHMWPE摩擦系数和磨损率与加载力成正比。在200N加载下，UHMWPE以粘着磨损为主，磨损率0.14％，摩擦系数为0.17。UHMWPE/GB和UHMWPE/MoS2两种复合材料的摩擦系数和磨损率都是在填料为5％处最低，并且UHMWPE/MoS2的降磨性能更佳，以疲劳磨损为主，磨损表面平整光滑，其摩擦系数为0.03，磨损率0.07％;UHMWPE/GB复合材料的摩擦系数和磨损率分别为0.07和0.11％，磨损表面有轻微磨削和犁沟现象，表现为磨粒磨损特征。
　　 4.综合考虑UHMWPE复合材料力学性能和摩擦磨损性能情况下，填料含量为5％时，相应的复合材料性能最佳。

目录

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学位论文数据集

摘要

第一章 绪论

1．1 球形支座

1．1．1 支座的结构

1．1．2 支座的应用

1．2 支座滑板的概述

1．2．1 滑板的种类

1．2．2 滑板在支座中的应用

1．3 超高分子量聚乙烯(UHMWPE)概述

1．3．1 UHMWPE的性能

1．3．2 UHMWPE的成型工艺

1．3．3 UHMWPE的应用

1．4 UHMWPE的改性研究进展

1．4．1 化学改性

1．4．2 物理改性

1．5 论文的研究内容及创新点

第二章 UHMWPE复合材料的制备及性能测试

2．1 实验原料与设备

2．1．1 实验原料与药品

2．1．2 实验仪器及设备

2．2 UHMWPE复合材料的制备

2．2．1 反应型高分子量界面剂的合成

2．2．2 试样的制备

2．3 测试与表征

2．3．1 界面剂异氰酸酯含量的测定

2．3．2 界面剂粘度的测定

2．3．3 界面剂分子量的测定

2．3．4 拉伸性能测试

2．3．5 硬度的测定

2．3．6 维卡软化点测试

2．3．7 摩擦磨损性能测试

2．3．8 红外光谱测试(IR)

2．3．9 扫描电镜分析(SEM)

第三章 反应型高分子量界面剂的性能与表征

3．1 反应型高分子量界面剂的合成机理

3．1．1 预聚体合成机理

3．1．2 反应型高分子量界面剂的合成反应

3．2 反应型高分子量界面剂的NCO含量

3．3 反应型高分子量界面剂的粘度

3．4 反应型高分子量界面剂的分子量

3．5 反应型高分子量界面剂的红外表征

3．6 小结

第四章 填料改性UHMWPE复合材料性能与表征

4．1 填料预处理

4．1．1 填料的偶联机理

4．1．2 填料改性红外表征

4．2 空心玻璃微球改性UHMWPE复合材料的力学性能

4．2．1 GB含量对UHMWPE／GB复合材料拉伸强度的影响

4．2．2 GB含量对UHMWPE／GB复合材料断裂伸长率的影响

4．2．3 GB含量对UHMWPE／GB复合材料硬度的影响

4．2．4 UHMWPE／GB复合材料的扫描电镜分析

4．3 二硫化钼改性UHMWPE复合材料的力学性能

4．3．1 MoS2含量对UHMWPE／MoS2复合材料拉伸强度的影响

4．3．2 MoS2含量对UHMWPE／MoS2复合材料断裂伸长率的影响

4．3．3 MoS2含量对UHMWPE／MoS2复合材料的硬度的影响

4．3．4 UHMWPE／MoS2复合材料的扫描电镜分析

4．4 填料种类对UHMWPE复合材料性能的影响

4．4．1 填料种类对UHMWPE复合材料力学性能的影响

4．4．2 填料种类对UHMWPE复合材料热性能的影响

4．5 小结

第五章 填料改性UHMWPE复合材料摩擦磨损性能与表征

5．1 引言

5．2 聚合物的摩擦磨损机理

5．3 UHMWPE的摩擦磨损性能

5．3．1 外加载荷的动态分析

5．3．2 载荷对UHMWPE磨损率的影响

5．4 空心玻璃微球改性UHMWPE复合材料的摩擦磨损性能

5．4．1 UHMWPE／GB复合材料的摩擦系数和磨损率

5．4．2 UHMWPE／GB复合材料的磨痕分析

5．5 二硫化钼改性UHMWPE复合材料的摩擦磨损性能

5．5．1 UHMWPE／MoS2复合材料的摩擦系数和磨损率

5．5．2 UHMWPE／MoS2复合材料的磨痕分析

5．6 填料种类对UHMWPE复合材料摩擦磨损性能的影响

5．6．1 填料种类对UHMWPE复合材料摩擦系数的影响

5．6．2 填料种类对UHMWPE复合材料磨损率的影响

5．6．3 不同填料改性UHMWPE复合材料的磨痕分析

5．7 UHMWPE材料的磨损机理

5．8 小结

第六章 桥梁球形支座滑板用新型复合材料耐应力松弛研究

6．1 引言

6．2 实验部分

6．2．1 实验原料及设备

6．2．2 测试方法

6．3 结果与讨论

6．3．1 Maxwell模型分析

6．3．2 UHMWPE滑板的应力松弛

6．3．3 Maxwell理论模型的流变参数

6．4 小结

第七章 结论

参考文献

致谢

研究成果及发表的学术论文

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