聚合物及其复合材料的微动磨损行为研究

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微动摩擦是摩擦学的一个重要分支,是人们研究材料损伤从静止到运动的一个重要环节。随着尖端技术的迅速发展,对材料的精度、效率、使用寿命以及可靠性的要求越来越高。在长期使用过程中,聚合物摩擦件不可避免地会受到微动损伤。但长期以来对材料微动损伤的研究主要集中在金属合金方面。如果将有关金属的微动损伤理论应用到聚合物上又是不完全适用的。因此,有必要研究聚合物在微动磨损环境下的损伤特性及规律。  本论文采用SRV-Ⅳ微动摩擦磨损试验机,研究了几种典型工程聚合物材料在微动磨损条件下的摩擦学行为,讨论了在滑动和微动两种测试条件下材料损伤机制的区别;考察了表面粗糙度、载荷、振幅、频率、温度等测试参数对其微动磨损性能的影响规律,以及微动损伤机理的变化;同时研究了多种填料增强的UHMWPE和PEEK复合材料的微动摩擦学性能,讨论了微观结构、填料尺寸、协同作用、力学性能等对其微动磨损性能的影响;在此基础上,对耐微动环境的多元共混复合材料进行了探索研究。论文主要研究结论如下:  1.材料的往复滑动磨损性能明显不同于其微动磨损性能。由于在微动磨损过程中产生的热量不易及时散出,导致聚合物表面温度达到一个较高值,引起更为严重的粘着磨损,所以在微动磨损条件下,聚合物的磨损率要高于在滑动磨损条件下的,如UHMWPE、PHBA。而对于PTFE、PEEK和PI,在微动过程中形成的转移膜具有减摩抗磨作用,因此它们在微动条件下的磨损率要低于在滑动条件下的。  2.UHMWPE的微动摩擦学性能与其表面粗糙度、载荷和振幅密切相关。粗糙度过小或过大都不利于UHMWPE材料表现出良好的微动摩擦学性能。在载荷为18N时,材料发生了由低磨损到高磨损的突变。UHMWPE在200μm处,发生了磨损机制的转变。  3.填料的加入显著改变了UHMWPE的微观结构,基体的连续性受到破坏,导致其拉伸强度和断裂伸长率减小。增强相填料如CF、MCNTs的加入提高了材料的承载能力,降低了材料的磨损率。润滑相填料如CFx、PTFE的加入,因其自身优异的自润滑性能,可降低材料的摩擦系数。将增强相CF和润滑相PTFE复合填充,两者产生协同作用,复合材料在微动磨损条件下表现出优异的减摩耐磨性能。而且CF和UHMWPE基体之间具有独特的界面结构,加入PTFE可进一步提高CF和基体之间的界面结合强度。  4.在考察温度对PEEK耐微动磨损性能的影响时发现,磨损有助于提高摩擦表面的结晶度,而结晶度的提高可进一步影响PEEK的摩擦学性能。通过高锰酸钾刻蚀技术发现,由粘着磨损引起的塑性变形的主要成分是无定形相。在研究载荷和频率对PEEK耐高温微动磨损性能的影响时发现,在高温实验过程中,PEEK表面发生了严重的粘着磨损和疲劳磨损,而且随着载荷或频率的增加,界面损伤越来越严重。  5.填料(如CF、PTFE和GF)的加入可有效改善PEEK复合材料的耐微动磨损性能。不同填料的不同尺寸在微动条件下的增强效果存在显著差异,微米CF对材料耐磨性提高的效果要优于纳米CF,而纳米PTFE的增强效果要优于微米PTFE。
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