雷 毅，郭建良

(中國石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，山東東營 257061)

納米SiO2填充UHMWPE/PTFE/納米MMT復(fù)合材料的摩擦磨損行為

雷 毅，郭建良

(中國石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，山東東營 257061)

通過熱壓成型工藝制備納米SiO2和納米蒙脫土(MMT)及聚四氟乙烯(PTFE)復(fù)合填充超高分子量聚乙烯(UHMWPE)復(fù)合材料，采用銷－盤式摩擦磨損試驗機(jī)考察復(fù)合材料在干摩擦條件下與45#鋼配副時的摩擦磨損行為，用掃描電子顯微鏡觀察復(fù)合材料的磨損表面形貌。結(jié)果表明：當(dāng)PTFE和MMT的填充質(zhì)量分?jǐn)?shù)均保持6%，填充質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%的納米SiO2時復(fù)合材料可獲得較好的耐磨性能，其磨損機(jī)制主要表現(xiàn)為黏著磨損;不含納米SiO2的復(fù)合材料的摩擦行為主要表現(xiàn)為一次磨合期和一次穩(wěn)定期以及二次磨合期和二次穩(wěn)定期4個明顯的特征;隨著填充納米SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，復(fù)合材料的摩擦過程呈現(xiàn)出復(fù)雜的變化規(guī)律，其磨損機(jī)制主要表現(xiàn)為不同程度的黏著磨損和磨粒磨損，且耐磨性能呈現(xiàn)出明顯的惡化現(xiàn)象。

超高分子量聚乙烯;納米氧化硅;納米蒙脫土;聚四氟乙烯;摩擦磨損性能;復(fù)合材料

超高分子量聚乙烯(UHMWPE)作為近年來備受關(guān)注的一種熱塑性工程材料，越來越顯示出誘人的應(yīng)用前景。利用無機(jī)剛性微粒增強(qiáng)聚合物性能的設(shè)想在實踐中已得到充分肯定［1］。有關(guān)研究成果［2-6］表明，通過納米粒子填充改性聚合物是獲得高性能高分子復(fù)合材料的一種重要手段。但是，目前基于納米粒子填充改性超高分子聚乙烯(UHMWPE)基復(fù)合材料的摩擦學(xué)研究大多集中在填充不同單一納米粒子對復(fù)合材料摩擦磨損性能影響方面的探討。雷毅等［7］的前期研究成果顯示，多種無機(jī)納米微粒共混填充UHMWPE時，其復(fù)合填料表現(xiàn)出明顯的協(xié)同效應(yīng)。郭建良［8］研究表明，填充適量的聚四氟乙烯(PTFE)和納米蒙脫土(MMT)能有效改善UHMWPE的成型加工性能。納米SiO2具有比表面積大和分散性好等特點，有利于填充效果的改善。黃麗等［9］在聚合物中填充適量納米SiO2可使UHMWPE的耐熱性能得到較大改善。但是，迄今為止尚未見到針對納米SiO2填充UHMWPE/PTFE/nano-MMT復(fù)合材料的摩擦磨損性能方面的研究報道。據(jù)此，筆者通過熱壓成型方法制備納米SiO2填充UHMWPE/PTFE/nano-MMT復(fù)合材料，考察其在干摩擦條件下與45#鋼配副時的摩擦磨損行為。

1 復(fù)合材料試驗

1.1 試驗原料及試樣制備

UHMWPE選用北京助劑二廠生產(chǎn)的黏均分子質(zhì)量200萬的白色微米粉體，平均粒徑為100～200 μm，密度為0.935 g/cm3;PTFE為濟(jì)南化工廠生產(chǎn)，粒徑約為20～30 μm;納米MMT為浙江豐虹黏土化工有限公司提供，其表觀密度為0.25～0.35 g/cm3，疊層厚度小于25 nm;納米SiO2為浙江弘晟材料科技股份有限公司提供，密度0.12 g/cm3，粒徑小于20 nm;硅烷偶聯(lián)劑KH550為南京曙光化工總廠提供;乙醇和丙酮均為市售。

考慮UHMWPE復(fù)合材料的綜合改性效果，依據(jù)郭建良［8］的研究成果，將復(fù)合填料中納米MMT質(zhì)量分?jǐn)?shù)和PTFE的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均固定為6%，而填充納米SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別選取2%、4%、6%、8%和10%。首先將各填充原料組分按設(shè)計比例進(jìn)行配料，加入硅烷偶聯(lián)劑KH550進(jìn)行表面處理，再經(jīng)過濾和烘干后得到硅烷偶聯(lián)復(fù)合填料。然后再將此復(fù)合填料按一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)與UHMWPE進(jìn)行共混，經(jīng)溶劑處理和高速攪拌分散后，烘干進(jìn)行熱壓成型。所制備的復(fù)合材料經(jīng)車削加工成Φ4.5 mm×13 mm試樣銷，試樣銷待測表面采用800#水砂紙打磨，并用丙酮溶液對其進(jìn)行超聲波清洗，干燥后密封待用。

1.2 摩擦性能試驗及磨損表面形貌觀察

復(fù)合材料摩擦試驗采用三針摩擦試驗方式，試驗設(shè)備為濟(jì)南試金集團(tuán)制造的MMW-1型立式萬能摩擦磨損試驗機(jī)，摩擦副配用Φ54 mm的45#鋼盤(淬火后硬度值HRC 44～46，試驗前用800#水砂紙打磨摩擦表面)，試驗條件為干摩擦。通過精密電子天平(精度0.1 mg)測定UHMWPE復(fù)合材料的試樣銷磨損質(zhì)量損失量，并依據(jù)單位載荷和單位滑動距離內(nèi)復(fù)合材料試樣銷的磨損質(zhì)量損失量換算成磨損率。采用荷蘭FEI公司制造的QUANTA 200掃描電子顯微鏡(SEM)對復(fù)合材料的試樣銷磨損表面形貌進(jìn)行觀察。

2 試驗結(jié)果討論

2.1 復(fù)合材料摩擦磨損性能

圖1中分別給出了納米SiO2不同含量填充UHMWPE/PTFE/nano-MMT復(fù)合材料在載荷P=200 N、相對滑動線速度v=0.604 m/s和摩擦?xí)r間t=120 min的試驗條件下的摩擦系數(shù)μ以及復(fù)合材料對磨面溫度θ隨時間的變化關(guān)系。

從圖1中不難看出，復(fù)合填料中不含納米SiO2的UHMWPE/PTFE/nano-MMT基復(fù)合材料摩擦過程的基本特征呈現(xiàn)出一次磨合期和一次穩(wěn)定期以及二次磨合期和二次穩(wěn)定期4個明顯的階段(圖1(a))。在一次磨合期，復(fù)合材料的摩擦對磨面溫度上升較快，當(dāng)摩擦對磨面溫度上升到100℃左右時，其摩擦系數(shù)出現(xiàn)了一個快速上升過程，并且其摩擦過程呈現(xiàn)出不穩(wěn)定特征，即系統(tǒng)進(jìn)入二次磨合期。當(dāng)復(fù)合材料的摩擦過程進(jìn)入二次穩(wěn)定期時，其對磨面溫度的變化趨于平穩(wěn)。當(dāng)填充納米SiO2含量為2%時，復(fù)合材料的摩擦過程仍存在4個明顯的階段，但系統(tǒng)進(jìn)入二次穩(wěn)定期后的摩擦系數(shù)有所下降。隨著填充納米SiO2含量的增加，復(fù)合材料在磨合期時的摩擦系數(shù)變化較大(圖1(c))，整個摩擦過程中摩擦系數(shù)呈現(xiàn)出復(fù)雜的變化規(guī)律。當(dāng)填充納米SiO2含量達(dá)到10%時(圖1(d))，系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)的時間縮短，而且摩擦過程中的穩(wěn)定性也得到了一定程度的改善。

圖2所示為納米SiO2含量對其填充UHMWPE/PTFE/nano-MMT復(fù)合材料磨損率的影響曲線(P=200 N，v=0.604 m/s)。當(dāng)復(fù)合填料中納米SiO2含量低于2%時，UHMWPE/PTFE/nano-MMT/nano-SiO2復(fù)合材料的磨損率隨SiO2含量的增加而下降;當(dāng)納米SiO2含量高于2%時，其磨損率隨SiO2含量的增加而增大。當(dāng)復(fù)合填料中納米MMT和PTFE的填充量均保持6%時，在本文試驗條件下，填充納米SiO2的含量為2%可適當(dāng)改善UHMWPE的抗磨性能，但填充納米SiO2含量高于2%時，其耐磨性能不但沒有得到一定程度的改善，反而開始出現(xiàn)了明顯的惡化現(xiàn)象。

圖1 納米SiO2含量對UHMWPE/6%PTFE/6%MMT復(fù)合材料摩擦系數(shù)的影響以及對磨面溫度隨時間的變化Fig.1 Variations of friction coefficient and friction surface temperature with sliding time for UHMWPE/6%PTFE/6%MMT/nano-SiO2composite

圖2 納米SiO2含量對UHMWPE/6%PTFE/6%MMT復(fù)合材料磨損率的影響Fig.2 Variations of wear rate with nano-SiO2content for UHMWPE/6%PTFE/6%MMT composite

2.2 復(fù)合材料磨損表面分析

圖3為納米SiO2不同含量填充UHMWPE/PTFE/MMT復(fù)合材料的磨損表面形貌SEM照片(P=200 N，v=0.604 m/s)。從磨損表面形貌的SEM照片中不難看出：不含納米 SiO2的 UHMWPE/PTFE/nano-MMT復(fù)合材料的磨損表面上(圖3(a))存在大量撕裂特征，并且塑性變形也較為嚴(yán)重，其磨損機(jī)制主要表現(xiàn)為疲勞磨損和黏著磨損;填充2%納米SiO2復(fù)合材料的磨損表面明顯比不含納米SiO2的復(fù)合材料光滑，而且表面凹坑也較少，說明填充2%納米SiO2的UHMWPE/PTFE/nano-MMT復(fù)合材料的磨損機(jī)制主要表現(xiàn)為黏著磨損;隨著復(fù)合填料中納米SiO2含量的增加，復(fù)合材料的磨損表面上出現(xiàn)了一些不同程度的犁溝跡象，磨粒磨損程度也不斷加劇，填充4%納米SiO2的復(fù)合材料磨損表面除了出現(xiàn)黏著磨損特征外，還存在輕微的磨粒磨損跡象;當(dāng)復(fù)合材料填充10%納米SiO2時，其磨損表面出現(xiàn)了嚴(yán)重的撕裂跡象，且劃痕也較為明顯，已呈現(xiàn)出磨粒磨損的特征，其磨損機(jī)制主要表現(xiàn)為磨粒磨損和黏著磨損。

在摩擦過程中，一方面，由于復(fù)合納米填料對載荷具有優(yōu)先承載的作用，并且經(jīng)過偶聯(lián)的納米微粒表面能夠吸附UHMWPE大分子鏈，導(dǎo)致復(fù)合納米粒子促進(jìn)轉(zhuǎn)移膜的形成。當(dāng)UHMWPE中一條分子鏈?zhǔn)艿綉?yīng)力時，可通過復(fù)合納米填料把應(yīng)力分散到UHMWPE其他分子鏈上，并使其轉(zhuǎn)移膜的形成更加連續(xù)和均勻，從而獲得均勻的應(yīng)力分布。因此，填充復(fù)合納米粒子對UHMWPE基復(fù)合材料在摩擦過程中的轉(zhuǎn)移膜具有一定的機(jī)械鉚定作用，從而使得復(fù)合材料的耐磨性得到一定程度的提高。另一方面，由于多種納米微粒復(fù)合填充UHMWPE基復(fù)合材料時存在一定的協(xié)同效應(yīng)，在一定的填充比例條件下，使得復(fù)合納米填料在UHMWPE基體中比單一納米填充時分散更加均勻，從而可實現(xiàn)對UHMWPE更多的大分子鏈產(chǎn)生釘扎作用，進(jìn)一步提高了UHMWPE基復(fù)合材料的抗磨性能。但是，當(dāng)復(fù)合填料中納米SiO2含量較高時，采用常規(guī)共混方法難以實現(xiàn)復(fù)合納米粒子在UHMWPE中的超細(xì)微分散，從而導(dǎo)致部分復(fù)合納米微粒仍以團(tuán)聚形式存在，而以團(tuán)聚形式存在的組織結(jié)構(gòu)往往較為松散，不利于發(fā)揮納米粒子的增韌效應(yīng)［10］。因此，當(dāng)復(fù)合納米填充材料超過一定含量后，就有可能破壞UHMWPE原有的一些特性和基體的連續(xù)性，從而導(dǎo)致UHMWPE基復(fù)合材料的耐磨性能出現(xiàn)不同程度的惡化現(xiàn)象。復(fù)合納米粒子填充UHMWPE所表現(xiàn)的量子尺寸效應(yīng)、體積效應(yīng)、自身的表面效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)等一些復(fù)雜的特性，也使得復(fù)合納米粒子填充UHMWPE基復(fù)合材料的內(nèi)部相結(jié)構(gòu)變得十分復(fù)雜，從而使其摩擦學(xué)規(guī)律也變得更加復(fù)雜。因此，對其摩擦學(xué)的相關(guān)研究有待深入。

圖3 不同納米SiO2含量的UHMWPE/PTFE/MMT復(fù)合材料磨損表面形貌SEM照片F(xiàn)ig.3 SEM pictures of worn surfaces of nano-SiO2filled UHMWPE/PTFE/MMT composites

3 結(jié)論

(1)當(dāng)PTFE和納米MMT的填充質(zhì)量分?jǐn)?shù)均保持6%不變時，填充質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%的納米SiO2時復(fù)合材料可獲得較好摩擦磨損性能。隨著填充納米SiO2含量的增加，復(fù)合材料的耐磨性能出現(xiàn)了明顯的惡化現(xiàn)象。

(2)當(dāng)復(fù)合填料中納米SiO2含量較低時，其磨損機(jī)制主要表現(xiàn)為黏著磨損，隨著復(fù)合填料中納米SiO2含量的增加，其磨損機(jī)制主要表現(xiàn)不同程度的黏著磨損和磨粒磨損。

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Friction and wear behavior of nano-SiO2filled ultra high molecular weight polyethylene/polytetrafluoroethylene/nano-montmorillonite composites

LEI Yi，GUO Jian-liang
(College of Electromechanical Engineering in China University of Petroleum，Dongying 257061，China)

Ultra high molecular weight polyethylene(UHMWPE)based composites filled with nanometer SiO2，nanometer montmorillonite(MMT)and polytetrafluoroethylene(PTFE)were prepared by heat compression molding.The friction and wear behaviors of the composites sliding against AISI-10 45 carbon steel disc under dry ambient condition were evaluated on a pin-on-disc test rig.The worn surfaces of the composites were observed on a scanning electron microscope.The results show that when the mass fractions of PTFE and nanometer MMT both are fixed at 6%，the composites with 2%nano-SiO2obtain better wear-resisting property，and the main wear mechanism is adhesive wear.There are four obvious characteristics which are primary running in period，primary steady period，second running in period and second steady period during the friction process of the composites without nano-SiO2.With the increase of the mass fraction of nano-SiO2in the compounded fillers，the friction process characteristics of the composites present complicated variation law，and main wear mechanisms are characterized by adhesive wear and abrasive wear in varying degrees，and the wear-resisting property of the composites is obviously deteriorated.

ultra high molecular weight polyethylene(UHMWPE);nanometer SiO2;nanometer montmorillonite(MMT);polytetrafluoroethylene(PTFE);friction and wear performance;composite material

TB 383

A

10.3969/j.issn.1673-5005.2011.01.023

1673-5005(2011)01-0115-04

2010－05－15

中國石油天然氣集團(tuán)公司中青年科技創(chuàng)新基金項目(W020311)

雷毅(1960－)，男(漢族)，湖南茶陵人，教授，主要從事材料成型及控制工程、無損檢測方面的科研工作。

(編輯 沈玉英)