填料改性UHMWPE复合材料热膨胀与摩擦学性能研究

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尽管超高分子量聚乙烯(Ultra-High Molecular Weight Polyethylene,UHMWPE)性能优势突出,但其对温度变化较为敏感,尺寸稳定性差,热膨胀系数较大限制了UHMWPE作为摩擦副材料的应用。为了有效地控制UHMWPE的热膨胀系数,拓
尽管超高分子量聚乙烯(Ultra-High Molecular Weight Polyethylene,UHMWPE)性能优势突出,但其对温度变化较为敏感,尺寸稳定性差,热膨胀系数较大限制了UHMWPE作为摩擦副材料的应用。为了有效地控制UHMWPE的热膨胀系数,拓宽其作为摩擦副材料的应用范围,本文系统地研究了三种不同填料改性UHMWPE复合材料的热膨胀性能和摩擦学性能,并针对试验中的摩擦接触类型,建立了UHMWPE在干摩擦条件下的滑动摩擦温度场模型,建立了热膨胀性能与摩擦学之间的关联关系,以期为新型低热膨胀系数聚合物摩擦副材料的开发提供理论指导和数据支撑。本文主要研究成果和结论如下:(1)选用多壁碳纳米管(MWCNTs)、玻璃纤维(GF)、钨酸锆(Zr W2O8)对UHMWPE改性。研究不同填料含量对UHMWPE的硬度、热力学性能、热膨胀性能;考察UHMWPE复合材料在干摩擦环境下的摩擦学性能。结果表明:通过无水乙醇超声分散再研磨的方法得到的MWCNTs/UHMWPE复合材料具有较好的分散性,MWCNTs可以有效改善UHMWPE的热膨胀性能,添加0.8%MWCNTs的复合材料有较好的摩擦学性能;经过KH570改性处理后的GF形成了稳定的Si-O-Si结构,改善了与UHMWPE基体的粘结性。GF由于本身较低的热膨胀系数,并且能与高分子链形成较强的作用力,可以有效改善UHMWPE的热膨胀性能,在相同填料含量时,经过KH570改性处理GF复合材料的综合性能要优于未处理GF复合材料;拥有负热膨胀特性的Zr W2O8能大幅度降低UHMWPE的热膨胀系数,Zr W2O8/UHMWPE复合材料的摩擦系数随填料含量的增加先下降后上升,Zr W2O8显著提高了UHMWPE的硬度从而增强了抗磨粒磨损能力,提升了其耐磨性。(2)建立干摩擦条件下的滑动摩擦模型,运用热-结构耦合模拟其表面往复滑动接触过程,研究了不同热膨胀系数的UHMWPE在摩擦热作用下的温度场、应力场和热应变,进一步揭示了热膨胀性能与摩擦学性能之间的关联关系,结果表明:摩擦生热0到1 s的生热速率最快,随着摩擦过程进行,UHMWPE逐渐形成一个从摩擦接触区域为中心最高温度向内部逐渐梯度递减的宏观三维温度场,降低热膨胀系数有助于减小摩擦生热过程中的热应力和热应变,从而一定程度上改善了摩擦磨损性能,其中热应变最大值降低了54.2%,平均热应变降低了47.5%。
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