朱昭宇,董從林,劉書天,袁成清,吳宇航

(1.武漢理工大學(xué) 交通與物流工程學(xué)院,湖北 武漢,430063;2.武漢理工大學(xué) 船海與能源動力工程學(xué)院,湖北 武漢 430063;3.國家水運(yùn)安全工程技術(shù)研究中心 可靠性工程研究所,湖北 武漢 430063)

船舶在水上航行時會遇到暴雨、大風(fēng)等復(fù)雜且惡劣的運(yùn)行環(huán)境，發(fā)生搖蕩和顛簸等能引起船體發(fā)生傾斜現(xiàn)象，使甲板處于晃動和濕滑狀態(tài)[1-2].此外，由于甲板機(jī)械設(shè)備并非全部固定在甲板之上，甲板在濕滑環(huán)境下較低的防滑能力會使設(shè)備發(fā)生傾斜甚至傾倒，這不但會影響機(jī)械設(shè)備的使用安全，也會危及工作人員的人身安全.目前，船舶甲板表面材料往往為高分子材料，通過對甲板高分子材料進(jìn)行改性，提升防滑性能，這對提高船舶航行的安全系數(shù)，減少人員事故和財產(chǎn)損失具有積極作用[3].防滑材料的主要作用是通過增加摩擦系數(shù)的方式增強(qiáng)摩擦副間的相對摩擦情況，從而達(dá)到増摩防滑的性能[4-5].這種方式的主要機(jī)理之一是在材料微觀表面形成具有一定硬度和耐磨性能的質(zhì)點(diǎn)，使與摩擦配副接觸過程中發(fā)生嚙合磨損的行為，提升摩擦力，增強(qiáng)防滑性能[6-7].鄧琦等[8]研究了一種由改性環(huán)氧底漆、防滑層以及罩面面漆組成的高耐磨防滑涂層體系，在提高甲板防滑性能的同時使其具備優(yōu)異的耐磨損性能，延長了使用周期.周廣青[9]將高硬度的砂子加入甲板涂料中制備了新型的甲板防滑涂層，以此通過增加涂層表面粗糙度的方式增強(qiáng)防滑性能.

納米顆粒與其他聚合物混合制備的復(fù)合材料因表現(xiàn)出優(yōu)異的機(jī)械性能和物理性能，而被廣泛用于船舶甲板材料、涂料和尾軸承之類的摩擦學(xué)領(lǐng)域的研究中[10-12].納米SiO2因具有高比表面積、優(yōu)異的硬度和出色的耐磨性能而作為高分子復(fù)合材料的增強(qiáng)劑[13].Wu等[14]發(fā)現(xiàn)氣相SiO2/環(huán)氧樹脂納米復(fù)合材料的力學(xué)性能和熱穩(wěn)定性相比于純環(huán)氧樹脂得到明顯增強(qiáng)，且增強(qiáng)性能隨著納米SiO2體積分?jǐn)?shù)的提高而愈發(fā)明顯.Fan等[15]使用納米SiO2顆粒、碳纖維(CF)和芳綸纖維(AF)增強(qiáng)聚四氟乙烯(PTFE)復(fù)合材料的耐磨性能，向復(fù)合材料中添加0.3%的納米SiO2顆粒，可使防滑性能大幅增強(qiáng).超高分子量聚乙烯(UHMWPE)因具有優(yōu)異的耐磨性、耐腐蝕性和耐沖擊性，且經(jīng)濟(jì)、來源廣泛，被廣泛應(yīng)用于船舶相關(guān)領(lǐng)域，包括甲板防滑復(fù)合材料和襯墊復(fù)合材料[16-17].然而，超高分子量聚乙烯在水環(huán)境下表現(xiàn)出的較低摩擦系數(shù)使其防滑能力仍然具有較大提升空間.因此，為了提升船舶甲板高分子材料在濕滑環(huán)境下的表面防滑性能，采用具有優(yōu)異力學(xué)性能和優(yōu)異耐磨性能的納米二氧化硅(SiO2)顆粒作為增摩劑來改性超高分子量聚乙烯(UHMWPE)，揭示納米SiO2提升防滑性能的影響機(jī)理以及表現(xiàn)出最佳性能的添加比例.所得結(jié)論果對在濕滑環(huán)境下設(shè)計和制造具有優(yōu)異防滑性能的高分子復(fù)合材料具有重要的意義.

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)材料

納米SiO2是一種常見的具有高強(qiáng)度、高硬度和優(yōu)異的增摩性能的納米顆粒，因而選擇納米SiO2作為提升UHMWPE増摩性能的改性顆粒.通過設(shè)置含不同體積分?jǐn)?shù)納米SiO2改性的UHMWPE復(fù)合材料，探究納米SiO2顆粒對增強(qiáng)復(fù)合材料防滑性能的機(jī)理及復(fù)合材料表現(xiàn)出最優(yōu)性能的納米SiO2顆粒的添加比例.其中復(fù)合材料總質(zhì)量固定為160 g，UHMWPE的平均粒徑為1 mm，密度為0.92 g/cm3，納米SiO2的平均粒徑為100 nm，密度為2.2 g/cm3，納米SiO2顆粒體積分?jǐn)?shù)由低到高分為6組，體積分?jǐn)?shù)(質(zhì)量)分別為0% (0 g)、0.4% (1.6 g)、1.3% (4.8 g)、2.2% (8.0 g)、3.1% (11.2 g)和4.0% (14.4 g)(表1).制備前使用FA2104N電子天平進(jìn)行各類顆粒稱重并配比，再按照設(shè)計的體積分?jǐn)?shù)將不同顆粒進(jìn)行物理共混.

表1 UHMWPE和納米SiO2顆粒的體積分?jǐn)?shù)變化表Table 1 The volume fraction of UHMWPE and nano-SiO2

納米SiO2改性的UHMWPE復(fù)合材料的制備過程如圖1所示，UHMWPE [圖1(a)]和納米SiO2[圖1(b)]利用密煉機(jī)(QE-70B，武漢啟恩科技發(fā)展有限公司，中國)對基體材料進(jìn)行機(jī)械物理共混和加熱熔融.前期，平行雙螺桿緩慢蠕動使得納米SiO2和UHMWPE顆粒進(jìn)行充分混合；后期，UHMWPE顆粒被熔融，進(jìn)一步在平行雙螺桿的攪拌下與納米SiO2進(jìn)行充分混合，得到充分混合的混料[圖1(c)].密煉機(jī)加熱溫度設(shè)置為220 ℃，工作轉(zhuǎn)速為80 r/min，單次運(yùn)行時間為30 min.利用圖1(d)中注塑機(jī)(M1200，武漢啟恩科技責(zé)任有限公司，中國)將充分共混后的UHMWPE和納米SiO2顆粒制備成易于檢測的規(guī)則試樣，設(shè)定注塑溫度為220 ℃，注塑壓力為120 MPa，在高溫環(huán)境下將充分共混后的顆粒變成流動態(tài)，再在高壓力的作用下將其注射至成型模具中，待冷卻后得到啞鈴形狀的測試樣品，樣品如圖1(e)所示.

通過對啞鈴試樣進(jìn)行形狀處理，得到如圖1(f)所示的滿足摩擦磨損試驗(yàn)的長方體狀.所有試樣在試驗(yàn)前進(jìn)行表面拋光處理，得到表面平均粗糙度(Sa)為0.2±0.04 μm的試樣(白光干涉儀，Micro Xam，ADEP Hase Shift，Inc，美國).納米SiO2改性后的UHMWPE復(fù)合材料的力學(xué)性能通過萬能材料試驗(yàn)機(jī)(Instron 5967，INSTRON，中國)測得.

Fig.1 Materials and manufacturing technique: (a)UHMWPE powder; (b)nano-SiO2 particles; (c)banbury mixer; (d)sketch of injection molding machine; (e)samples size of tensile test; (f)samples for friction test圖1 試驗(yàn)材料及制備流程：(a)UHMWPE顆粒；(b)納米SiO2顆粒；(c)密煉機(jī)；(d)注塑機(jī)；(e)拉伸試樣；(f)摩擦試樣

1.2 納米SiO2改性后的UHMWPE復(fù)合材料表面元素分布

采用能譜儀(EDS)對納米SiO2改性后的UHMWPE復(fù)合材料進(jìn)行表面元素分析，分析復(fù)合材料中的元素組成和分布情況.圖2所示為使用能譜儀(EDS)對納米SiO2改性的UHMWPE復(fù)合材料表面元素分布的測試結(jié)果，其中測試試樣為納米SiO2含量為14.4 g，質(zhì)量分?jǐn)?shù)9.0% (即體積分?jǐn)?shù)4.0%)的UHMWPE復(fù)合材料.由圖2(a～d)表面元素分布圖可知，碳元素(C)、氧元素(O)和硅元素(Si)均勻分布在納米SiO2改性后復(fù)合材料表面，沒有發(fā)生顯著團(tuán)聚現(xiàn)象，證明納米SiO2均勻存在于UHMWPE內(nèi).圖2(e)所示中EDS曲線上除了碳元素和氧元素的激發(fā)峰之外，出現(xiàn)了硅元素的激發(fā)峰，這證明改性后的復(fù)合材料中存在納米SiO2，并且硅元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到9.6%，與設(shè)計的添加含量及體積分?jǐn)?shù)接近，滿足試驗(yàn)設(shè)計要求.因此通過對納米SiO2改性的UHMWPE復(fù)合材料表面元素分布試驗(yàn)，能夠證明納米SiO2按照配比設(shè)計條件存在于UHMWPE中.

Fig.2 EDS results of UHMWPE modified by nano- SiO2 with mass fraction of 9.0% (volume fraction of 4.0%):(a)microtopography; (b)C; (c)O; (d)Si; (e)element contents of the composite from EDS圖2 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為9.0%(體積分?jǐn)?shù)為4.0%)納米SiO2改性的UHMWPE的EDS結(jié)果：(a)微觀形貌圖；(b)C；(c)O；(d)Si；(e)EDS曲線及各元素含量

1.3 摩擦磨損試驗(yàn)

所有的摩擦磨損試驗(yàn)均在RTEC多功能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)(MFT-5 000，RTEC，美國)上進(jìn)行，如圖3所示.選用具有不同納米SiO2體積分?jǐn)?shù)且長度、寬度分別為20 mm和10 mm的UHMWPE復(fù)合材料為測試試樣.Si3N4陶瓷球因具有高強(qiáng)度和優(yōu)異穩(wěn)定性能，難以在磨損過程中被破壞，可以盡可能地保證數(shù)據(jù)的重現(xiàn)性和可靠性，因此被選為摩擦配副，其直徑為10 mm，表面粗糙度為0.1±0.02 μm.摩擦磨損試驗(yàn)過程中，陶瓷球固定在上部且保持靜止，而UHMWPE復(fù)合材料固定在下部，并在電機(jī)的帶動下進(jìn)行行程為10.5 mm的往復(fù)運(yùn)動，豎直載荷為30 N，往復(fù)頻率為2 Hz (21.00 mm/s)，磨損時間為20 min.通過在UHMWPE復(fù)合材料和Si3N4陶瓷球接觸表面間添加水溶液，模擬濕滑環(huán)境.數(shù)據(jù)采集器每0.000 1秒采集1次摩擦力信號，每組試驗(yàn)重復(fù)3次以驗(yàn)證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性.此外，每組試驗(yàn)結(jié)束后均更換新的Si3N4陶瓷球和UHMWPE復(fù)合材料試樣.

Fig.3 Experimental equipment and materials (a)overall appearance of RTEC commercial tribo-tester and test platform;(b)size of test samples; (c)schematic diagram of the friction experiment process under water lubrication condition圖3 試驗(yàn)過程：(a)RTEC多功能標(biāo)準(zhǔn)摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)；(b)摩擦試樣；(c)水環(huán)境下摩擦試驗(yàn)

1.4 測試技術(shù)和方法

利用掃描電子顯微鏡(SEM,VEGA3，TESCAN，捷克)觀察納米SiO2改性后的UHMWPE復(fù)合材料的微觀磨損形貌.通過激光共聚焦顯微鏡(VK-X1000，KEYENCE，日本)觀測摩擦磨損試驗(yàn)后試樣磨痕形貌，得到磨痕深度、寬度和表面粗糙度，計算出復(fù)合材料的磨損率，磨損率的計算公式如下所示：

利用實(shí)測的磨痕曲線和積分原理計算磨損率K，t—測試時間(s)；F—載荷(N)；L—磨痕長度(mm)；v—滑動速度(mm/s)；Δx—單位增量長度(μm)；w—磨痕寬度(mm)；f(xi)—第i個矩形磨損深度(μm).

激光共聚焦平面分辨率設(shè)置為3 μm,即Δx為3 μm時，包含磨痕橫截面任意增量矩形面積Sai為

材料磨損輪廓截面面積Sall：

復(fù)合材料磨損體積V：

單位載荷和單位速度下的磨損率K：

2 結(jié)果與分析

2.1 納米SiO2改性UHMWPE復(fù)合材料力學(xué)性能

高分子復(fù)合材料所展示出的力學(xué)性能直接影響其表面變形行為，因此測試具有不同體積分?jǐn)?shù)納米SiO2的UHMWPE復(fù)合材料的表面硬度、拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度和撕裂強(qiáng)度，其結(jié)果如圖4所示.如圖4(a)所示，隨著納米SiO2體積分?jǐn)?shù)的增加，UHMWPE復(fù)合材料的表面硬度呈現(xiàn)上升趨勢，且含納米SiO2體積分?jǐn)?shù)為4.0%的UHMWPE復(fù)合材料的表面硬度值最大，為86 HD.但改性后復(fù)合材料的拉伸性能、彎曲性能和撕裂性能卻隨SiO2體積分?jǐn)?shù)的升高而呈現(xiàn)下降的趨勢，0% SiO2體積分?jǐn)?shù)的UHMWPE復(fù)合材料的性能最優(yōu)[圖4(b～d)].不同SiO2體積分?jǐn)?shù)的UHMWPE復(fù)合材料的力學(xué)性能結(jié)果表明納米SiO2的添加能提升UHMWPE表面硬度.然而，隨著SiO2體積分?jǐn)?shù)的升高，拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度和撕裂強(qiáng)度均有不同程度的降低.這是因?yàn)?，本試?yàn)采用物理共混改性的方式制備復(fù)合材料，SiO2納米顆粒與UHMWPE之間通過物理粘附相結(jié)合，與化學(xué)共混改性相比，兩者之間的黏附力較弱；當(dāng)納米SiO2體積分?jǐn)?shù)過大時，納米顆粒與UHMWPE的接觸面積增大，二者之間產(chǎn)生接觸缺陷的幾率將會增多，最終導(dǎo)致復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度、彈性模量和斷裂伸長率降低[18].

Fig.4 The mechanical properties of the composites: (a)shore hardness; (b)tensile strength;(c)Bending strength and (d)tear strength圖4 納米SiO2改性后的UHMWPE復(fù)合材料的力學(xué)性能：(a)邵氏硬度；(b)拉伸強(qiáng)度；(c)彎曲強(qiáng)度；(d)撕裂強(qiáng)度

2.2 納米SiO2改性UHMWPE復(fù)合材料的摩擦系數(shù)

圖5所示為不同體積分?jǐn)?shù)的納米SiO2改性的UHMWPE復(fù)合材料在2.0 Hz，30 N工況下表現(xiàn)出的摩擦系數(shù).純UHMWPE在干摩擦下表現(xiàn)出較高的摩擦系數(shù)，達(dá)到0.154，但是純UHMWPE在水潤滑條件下摩擦系數(shù)驟降至0.045，相比于干摩擦條件下下降了71%，呈現(xiàn)出極低的摩擦學(xué)行為[圖5(a～b)].這說明在濕滑環(huán)境下純UHMWPE表現(xiàn)出較差的防滑性能，因此需要通過添加納米SiO2改性UHMWPE來提高其防滑效果.含納米SiO2體積分?jǐn)?shù)為0.4%的UHMWPE復(fù)合材料的摩擦系數(shù)上升至0.06并保持穩(wěn)定[圖5(c)].此后，隨著納米SiO2體積分?jǐn)?shù)分別提升至1.3%和2.2%，改性后UHMWPE的摩擦系數(shù)繼續(xù)呈現(xiàn)略微上升趨勢，分別達(dá)到0.069和0.065，且過程較為平穩(wěn)[圖5(d～e)].但是，當(dāng)納米SiO2體積分?jǐn)?shù)持續(xù)上升至3.1%時，改性后的UHMWPE摩擦系數(shù)曲線呈現(xiàn)上升趨勢并伴隨著明顯的波動，最大波動幅值達(dá)到0.14[圖5(f)].而納米SiO2體積分?jǐn)?shù)升高至最大的4.0%時，復(fù)合材料的摩擦系數(shù)在極短時間內(nèi)迅速上升，最終升至0.15，與純UHMWPE在干摩擦環(huán)境下的摩擦系數(shù)接近，并伴隨不穩(wěn)定的波動，即較為嚴(yán)重的摩擦磨損行為[圖5(g)].

通過將整個測試時間內(nèi)的摩擦系數(shù)數(shù)據(jù)取平均值最終得到UHMWPE復(fù)合材料在不同納米SiO2體積分?jǐn)?shù)下的平均摩擦系數(shù)，結(jié)果如圖5(h)所示.純UHMWPE在干摩擦環(huán)境下表現(xiàn)出0.154的較高摩擦系數(shù)，而在水潤滑環(huán)境下平均摩擦系數(shù)驟降至0.045，證明純UHMWPE在濕滑環(huán)境下表現(xiàn)出較差的防滑性能.通過納米SiO2改性的UHMWPE平均摩擦系數(shù)在水潤滑環(huán)境下隨納米SiO2體積分?jǐn)?shù)的升高而呈現(xiàn)上升的趨勢，由0.056上升至0.126，此數(shù)值與干摩擦條件下純UHMWPE的平均摩擦系數(shù)十分接近，達(dá)到超過船舶傳統(tǒng)防滑材料性能的改善效果.通過測試納米SiO2改性后的UHMWPE復(fù)合材料在濕滑環(huán)境下的摩擦系數(shù)行為，可以證明納米SiO2的添加能夠提高UHMWPE的摩擦系數(shù)，同時也增強(qiáng)表面防滑性能.

Fig.5 At 2.0 Hz and 30 N: (a)dry friction coefficient of pure UHMWPE; the friction coefficient of water lubrication of UHMWPE modified with different volume fractions of nano-SiO2: (b)0%; (c)0.4%; (d)1.3%; (e)2.2%;(f)3.1%; (g)4.0%; (h)Average friction coefficient圖5 在2.0 Hz，30 N工況下：(a)純UHMWPE的干摩擦系數(shù)；不同體積分?jǐn)?shù)的納米SiO2改性后的UHMWPE的水潤滑摩擦系數(shù)：(b)0%；(c)0.4%；(d)1.3%；(e)2.2%；(f)3.1%；(g)4.0%；(h)平均摩擦系數(shù)

2.3 納米SiO2改性UHMWPE復(fù)合材料磨痕形貌

圖6和圖7所示為使用激光共聚焦顯微鏡觀測的不同體積分?jǐn)?shù)的納米SiO2改性后的UHMWPE復(fù)合材料經(jīng)過2.0 Hz，30 N水潤滑摩擦磨損試驗(yàn)后磨痕形貌結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)隨著納米SiO2體積分?jǐn)?shù)的變化，復(fù)合材料磨痕深度也隨之變化.其中，圖6所示為六組納米SiO2改性的UHMWPE復(fù)合材料磨痕的三維形貌數(shù)據(jù)，由圖可知，隨著UHMWPE復(fù)合材料含納米SiO2體積分?jǐn)?shù)的升高，UHMWPE復(fù)合材料的磨痕深度逐漸變深，磨痕越來越明顯.并且磨痕表面的不規(guī)則凸起現(xiàn)象隨著納米SiO2體積分?jǐn)?shù)的持續(xù)升高而愈發(fā)明顯，證明UHMWPE材料磨痕表面愈發(fā)粗糙.此外，納米SiO2改性的UHMWPE復(fù)合材料的磨痕橫截面曲線如圖7所示，其中，純UHMWPE在水環(huán)境下的摩擦磨損試驗(yàn)后磨痕深度為12 μm，但隨著添加納米SiO2的體積分?jǐn)?shù)升高，UHMWPE復(fù)合材料的磨痕深度呈現(xiàn)略微上升趨勢，磨痕深度(納米SiO2體積分?jǐn)?shù)為0.4%)由14 μm略微升高至15 μm (納米SiO2體積分?jǐn)?shù)為2.2%)，最后升高至16 μm (納米SiO2體積分?jǐn)?shù)為4.0%).通過納米SiO2改性的UHMWPE復(fù)合材料的磨痕深度數(shù)據(jù)可以得到結(jié)論：隨著UHMWPE復(fù)合材料中添加納米SiO2的體積分?jǐn)?shù)升高，UHMWPE復(fù)合材料磨痕深度呈現(xiàn)略微升高的趨勢，且磨痕處變得較為粗糙.

Fig.6 Three-dimensional morphologies of the wear marks of UHMWPE modified with different volume fractions of nano-SiO2 under the condition of 2 Hz and 30 N after the water lubrication friction test: (a)0%; (b)0.4%; (c)1.3%; (d)2.2%; (e)3.1%; (f)4.0%圖6 2.0 Hz，30 N工況下不同體積分?jǐn)?shù)的納米SiO2改性后的UHMWPE在水潤滑摩擦試驗(yàn)后的磨痕三維形貌：(a)0%；(b)0.4%；(c)1.3%；(d)2.2%；(e)3.1%；(f)4.0%

Fig.7 Wear profiles of UHMWPE modified with different volume fractions of nano-SiO2 at 2.0 Hz and 30 N after water lubrication friction test:(a)0%；(b)0.4%；(c)1.3%；(d)2.2%；(e)3.1%；(f)4.0%圖7 2.0 Hz，30 N工況下不同體積分?jǐn)?shù)的納米SiO2改性后的UHMWPE水潤滑摩擦試驗(yàn)后的磨痕輪廓：(a)0%；(b)0.4%；(c)1.3%；(d)2.2%；(e)3.1%；(f)4.0%

圖8所示為復(fù)合材料的磨痕深度和磨損率結(jié)果，由圖8(a)可知干摩擦工況下純UHMWPE磨痕深度為22 μm，在水潤滑工況下降為12 μm，下降了45%，并且隨著納米SiO2的加入和體積分?jǐn)?shù)的升高，水潤滑工況下UHMWPE復(fù)合材料的磨痕深度呈現(xiàn)出略微上升的趨勢，純UHMWPE的磨痕深度最低，為12 μm，體積分?jǐn)?shù)為4.0%納米SiO2的UHMWPE具有最深磨痕深度值，為16 μm，明顯低于干摩擦工況下的22 μm.圖8(b)所示為納米SiO2的加入和添加比例對UHMWPE磨損率影響規(guī)律，水潤滑下純UHMWPE與試驗(yàn)中復(fù)合材料的磨損率均低于干摩擦下純UHMWPE磨損率(5.9×10-7mm2·s/N)，隨著納米SiO2體積分?jǐn)?shù)的升高，復(fù)合材料的磨損率呈現(xiàn)上升趨勢，首先由純UHMWPE的磨損率3.1×10-7mm2·s/N明顯升高至含納米SiO2體積分?jǐn)?shù)2.2%的UHMWPE復(fù)合材料的4.2×10-7mm2·s/N，隨后緩慢地繼續(xù)升高至含納米SiO2體積分?jǐn)?shù)4.0%的UHMWPE復(fù)合材料的4.7×10-7mm2·s/N，與干摩擦工況下純UHMWPE相比仍有明顯優(yōu)勢.磨損率增長率呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢，此現(xiàn)象反映了雖然納米SiO2能增強(qiáng)UHMWPE材料的防滑性能，但是抗磨損影響較小.原因是納米SiO2會加劇摩擦表面的磨粒磨損，加劇了磨粒與摩擦副之間的相對摩擦程度使得磨痕深度增加，因此改性后UHMWPE復(fù)合材料的磨損率首先出現(xiàn)明顯升高的趨勢.然而，隨著納米SiO2體積分?jǐn)?shù)的升高，增大了納米SiO2與陶瓷球的接觸面積，由于納米SiO2與UHMWPE之間的剛度差異性，基本不變形的納米SiO2起到優(yōu)先承載的作用，降低UHMWPE基體材料與陶瓷球的接觸面積，進(jìn)而減緩復(fù)合材料的磨損率的增長趨勢.

Fig.8 Wear scratch depth (a)and wear rates (b)of composites at 2.0 Hz,30 N under dry and water lubrication.圖8 2.0 Hz，30 N工況下不同體積分?jǐn)?shù)的納米SiO2改性后的UHMWPE在干摩擦和水潤滑摩擦試驗(yàn)后的磨損劃痕深度(a)和磨損率(b).

2.4 納米SiO2改性UHMWPE復(fù)合材料的微觀形貌

不同納米SiO2體積分?jǐn)?shù)改性的UHMWPE復(fù)合材料在進(jìn)行水潤滑摩擦磨損試驗(yàn)后可以使用激光共聚焦顯微鏡測得磨痕處的表面粗糙度Sa，其結(jié)果如圖9所示.純UHMWPE磨痕處粗糙度為3.670 μm，UHMWPE復(fù)合材料磨痕處的粗糙度隨著納米SiO2的添加和體積分?jǐn)?shù)的升高而呈現(xiàn)上升趨勢.其中，當(dāng)納米SiO2體積分?jǐn)?shù)為0.4%時粗糙度升至4.168 μm，隨后繼續(xù)升至4.527 μm (納米SiO2體積分?jǐn)?shù)為2.2%)，最后當(dāng)納米SiO2體積分?jǐn)?shù)為4.0%時表現(xiàn)出最為粗糙的表面，粗糙度Sa達(dá)到5.604 μm.當(dāng)納米SiO2體積分?jǐn)?shù)較高時，越來越多的納米SiO2顆粒在摩擦磨損過程中顯露出來，增強(qiáng)硬質(zhì)顆粒與摩擦配副的接觸面積，在磨損過程中材料表面粗糙度上升，進(jìn)而迅速增大摩擦系數(shù).

由圖9(a)可知，純UHMWPE在摩擦磨損試驗(yàn)后表現(xiàn)出光滑的磨痕形貌，僅存在少量的輕微變形行為.而當(dāng)添加的納米SiO2體積分?jǐn)?shù)為0.4%時，復(fù)合材料表面出現(xiàn)少量沿摩擦方向延伸的裂紋，如圖9(b)所示.但隨著納米SiO2體積分?jǐn)?shù)的持續(xù)增加，復(fù)合材料表面出現(xiàn)的裂紋和變形行為愈發(fā)嚴(yán)重.當(dāng)納米SiO2體積分?jǐn)?shù)增加到1.3%時，表面裂紋逐漸增大，并伴隨著撕裂的行為，這使表面開始變得粗糙[圖9(c)].當(dāng)納米SiO2體積分?jǐn)?shù)增加到2.2%時，復(fù)合材料微觀表面除了明顯的裂紋之外，也出現(xiàn)了可能是由于納米SiO2聚集而產(chǎn)生材料堆積的現(xiàn)象，使得磨痕表面粗糙程度進(jìn)一步加劇[圖9(d)].當(dāng)納米SiO2體積分?jǐn)?shù)持續(xù)增加到3.1%和4.0%時，如圖9(e)和(f)所示，改性后的UHMWPE磨痕表面出現(xiàn)了沿摩擦方向排列的明顯磨損裂紋，并伴隨著材料的拉伸和撕裂行為，與圖5(f)和(g)的結(jié)果一致，這些明顯的變形行為在增加表面粗糙度的同時，也加劇了改性后UHMWPE在摩擦磨損過程中的波動行為，摩擦系數(shù)迅速上升.因此，根據(jù)納米SiO2改性的UHMWPE在摩擦磨損后的微觀形貌，可以證明隨著納米SiO2體積分?jǐn)?shù)的增加，UHMWPE復(fù)合材料表面由較為光滑態(tài)轉(zhuǎn)變成為嚴(yán)重磨損態(tài)，并且在高納米SiO2體積分?jǐn)?shù)時，表面磨損行為轉(zhuǎn)變成為嚴(yán)重的裂紋和撕裂變形，加劇磨痕處粗糙程度.

Fig.9 SEM micrographs of morphology of UHMWPE modified by different volume fractions of nano- SiO2 at 2.0 Hz and 30 N after water lubrication friction test: (a)0%; (b)0.4%; (c)1.3%; (d)2.2%; (e)3.1%; (f)4.0%圖9 2.0 Hz，30 N工況下不同體積分?jǐn)?shù)的納米SiO2改性后的UHMWPE在水潤滑摩擦試驗(yàn)后微觀形貌的SEM照片：(a)0%；(b)0.4%；(c)1.3%；(d)2.2%；(e)3.1%；(f)4.0%

2.5 納米SiO2增強(qiáng)UHMWPE防滑性能機(jī)理分析

通過分析不同納米SiO2體積分?jǐn)?shù)改性的UHMWPE復(fù)合材料在水環(huán)境下摩擦磨損試驗(yàn)結(jié)果，表明納米SiO2的添加改變了UHMWPE復(fù)合材料的摩擦學(xué)行為，主要表現(xiàn)在摩擦系數(shù)的升高和磨痕表面粗糙度的升高，進(jìn)而影響其防滑性能.一方面，納米SiO2增大了UHMWPE復(fù)合材料的接觸角[圖10(a)和(b)]，由純UHMWPE的75.6°升至納米SiO2體積分?jǐn)?shù)4.0%改性復(fù)合材料的94.5°，使UHMWPE從親水性逐步向疏水性轉(zhuǎn)變，一定程度上削弱了水膜在納米SiO2改性UHMWPE復(fù)合材料的浸潤能力和吸附性，有力提高了UHMWPE的摩擦系數(shù)[19].另一方面，由于納米SiO2屬于高硬度高耐磨性顆粒，雖然將其加入能增強(qiáng)UHMWPE表面的硬度(圖4)，但是納米SiO2顆粒的硬度和彈性模量均遠(yuǎn)大于UHMWPE；在受壓或摩擦接觸過程中，納米SiO2顆粒幾乎不變形，UHMWPE則變形顯著，這種差異性使得納米SiO2顆粒在摩擦磨損過程中逐漸突出在UHMWPE復(fù)合材料磨損表面，形成微凸體，并與摩擦配副氮化硅陶瓷球直接接觸，嚙合磨損更為劇烈，同時受到陶瓷球的阻力，如圖10(c)，(d)和(e)所示.納米SiO2在外界載荷的作用下與陶瓷球的嚙合現(xiàn)象更為明顯，使摩擦過程中摩擦力主要來自于復(fù)合材料和陶瓷球表面接觸點(diǎn)上的嚙合，因此提高了UHMWPE復(fù)合材料的摩擦力，即摩擦系數(shù)(圖5).此外，由于納米SiO2的添加降低材料的彎曲強(qiáng)度、拉伸性能與撕裂強(qiáng)度，因此復(fù)合材料更容易發(fā)生變形行為，從而增加復(fù)合材料磨痕處的粗糙度.隨著納米SiO2體積分?jǐn)?shù)的逐漸升高，UHMWPE復(fù)合材料發(fā)生變形的趨勢愈發(fā)明顯，磨痕表面的變形行為也愈發(fā)嚴(yán)重，使得表面愈發(fā)粗糙[圖10(f)]，納米SiO2與氮化硅陶瓷球發(fā)生更多嚙齒磨損的行為，進(jìn)一步增加改性復(fù)合材料與摩擦配副之間的機(jī)械嚙合力，提高摩擦系數(shù).綜上，納米SiO2削弱UHMWPE的親水性以及強(qiáng)化復(fù)合材料與摩擦配副之間的嚙齒磨損過程，最終導(dǎo)致復(fù)合材料的防滑性能顯著增加，甚至使得改性UHMWPE在水潤滑條件下的摩擦系數(shù)接近于干摩擦條件下的摩擦系數(shù)，表現(xiàn)出優(yōu)異的防滑性能.

Fig.10 (a)Contact angle micro picture of composite with 4.0% volume percentage of nano-SiO2,(B)Contact angle agree of UHMWPE modified with different volume fractions of nano-SiO2; (c)macroscopic diagram,(d)microscopic diagram,(e)wear model and (f)surface roughness of UHMWPE modified with different volume fractions of nano-SiO2 at 2.0 Hz and 30 N in the water lubrication friction test圖10 (a)4.0%納米SiO2改性后的UHMWPE的接觸角微觀圖片和(b)不同體積分?jǐn)?shù)納米SiO2改性后的UHMWPE的接觸角度數(shù)；2.0 Hz，30 N工況下不同體積分?jǐn)?shù)的納米SiO2改性后的UHMWPE在水潤滑摩擦試驗(yàn)中的(c)宏觀示意圖、(d)微觀示意圖、(e)磨損模型和(f)表面粗糙度

3 結(jié)論

納米SiO2通過提升表面粗糙度的方式提升UHMWPE在濕滑環(huán)境下的摩擦系數(shù)，由此提升防滑性能，其主要結(jié)論如下：

a.納米SiO2堅硬且不易變形的特性使其在受壓摩擦變形過程中顯露出來，與摩擦配副氮化硅陶瓷球直接接觸并形成咬合，提高了UHMWPE復(fù)合材料的摩擦力，最終提高了摩擦系數(shù).

b.納米SiO2降低UHMWPE復(fù)合材料與摩擦磨損過程相關(guān)的典型力學(xué)性能，包括其彎曲強(qiáng)度、拉伸性能與撕裂強(qiáng)度，使其在摩擦磨損過程中更容易發(fā)生變形行為，增大粗糙度；且納米SiO2削弱UHMWPE的親水性，進(jìn)一步提高防滑效果.

c.納米SiO2的加入使得改性UHMWPE在水潤滑條件下的摩擦系數(shù)接近于干摩擦條件下的摩擦系數(shù)，表現(xiàn)出優(yōu)異的防滑性能.