（材料学专业论文）pa6uhmwpesio2复合材料的摩擦学性能研究.pdf

。_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 。_ _ _ _ _ 。 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 。 嬲嬲缈 西华大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：移奎群 指导教师签名：驰叫 日期 u ) 7 日期加1f 舌d 加f7 占7 乡 西华大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定：在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于西华大学，同意学校保留并向国家 有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，西 华大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。( 保密的论文在解 密后遵守此规定) 学位论文作者签名：强盔群 日期：多d ，多j 多 指导教师签名：裂义叫 日期仞l l ，6 f 弓 西华大学硕士学位论文 摘要 聚酰胺6 ( p a 6 ) 是常用的一种热塑性工程塑料，具有较高的机械强度和自润滑性， 在摩擦学领域应用较广。但由于p a 6 在干摩擦时摩擦系数高，易发生严重的粘着磨损而 造成材料磨损失效，限制了它在摩擦学领域的更广泛应用。目前采用u h m w p e 改性p a 6 主要集中在共混物结构、组分相容性与力学性能的关系，对其摩擦磨损行为的研究较少。 本论文首先考察了e a a 、e a a p b o 以及m a l l g h d p e 增容的p a 6 u h m w p e 共混物 的摩擦学性能和力学性能，在此基础上，将无机粒子与u h m w p e 并用，制备 p a 6 u h m w p e s i 0 2 复合材料。主要研究内容及结果如下： p a 6 与u h m w p e 共混后，能明显改善其摩擦学性能，共混物的摩擦系数从纯p a 6 的0 4 8 1 降到0 4 1 9 。采用e a a 与p b o 并用增容时，共混物的摩擦系数和磨损率分别从 未增容共混物的0 4 1 9 和6 x 1 0 击m m 3 ( n m ) 降低到0 。2 8 6 和4 3 1 0 币m m 3 ( n m ) 。此 外，采用m a l l g h d p e 增容时共混物的摩擦系数为0 3 2 4 ，磨损率比未加相容剂时降低 了7 0 ，比纯p a 6 的降低了8 8 5 ，同时共混物保持了较高的力学性能。磨损形貌s e m 观察发现，m a h g h d p e 增容p a 6 u h m w p e 共混物的磨损机理是轻微的磨粒磨损和 少量粘着磨损，有效改善了共混物的摩擦学性能。 纳米s i 0 2 和微米s i 0 2 对p a 6 的力学性能和摩擦学性能均有一定的影响。d s c 测试 表明，纳米s i 0 2 和微米s i 0 2 均使p a 6 的结晶度增加。纳米s i 0 2 粒子能有效改善p a 6 的摩擦学性能，而微米s i 0 2 对复合材料的摩擦系数起破坏作用，对磨损率起改善作用。 在p a 6 u h m w p e 的基础上引入纳米s i 0 2 后，进一步降低了复合材料的摩擦系数和磨 损率，摩擦系数仅为0 3 1 2 ，磨损率为0 4 x 1 0 西m m 3 ( n m ) 。说明纳米s i 0 2 和u h m w p e 在改善p a 6 的摩擦学性能方面具有协同作用。 考察不同载荷、润滑条件对p a 6 及其复合材料摩擦学性能的影响。结果表明，材料 在高载荷下具有较低的摩擦系数和较高的磨损率，低载荷时反之。p a 6 u h m w p e s i 0 2 复合材料在3 0 0 n 时磨损机制为磨粒磨损和粘着磨损，2 0 0 n 时磨损机理主要是磨粒磨 损，并有轻微的疲劳磨损。p a 6 及其复合材料在水润滑时，由于与干摩擦时具有不同的 磨损机理而表现出不同的摩擦学行为。水润滑时由于水在摩擦过程中形成的边界润滑膜 使材料的摩擦系数有明显减小，而磨损率却有所增加。 关键词：尼龙6 ；超高分子量聚乙烯；s i 0 2 ；摩擦磨损 p a 6 a m m w p e s i 0 2 复合材料的摩擦学性能研究 a b s t r a c t p o l y a m i d e6 ( p a 6 ) i so n eo ft h ec o m m o n l yu s e dt h e r m o p l a s t i ce n g i n e e r i n gp l a s t i c s b e c a u s eo fh i g hm e c h a n i c a ls t r e n g t ha n ds e l f - l u b r i c a t i o n , p a 6i sw i d e l yu s e di nt r i b o l o g i c a l f i e l d h o w e v e r ，p u r ep a 6h a sh i g h e rf r i c t i o nc o e f f i c i e n tu n d e rd r ys l i d i n g ，w h i c hc a nb r i n g s e v e r ea d h e s i v ew e a ra n dc a u s em a t e r i a lw e a l a w a y , r e s t r i e t e di t sm o r ee x t e n s i v ea p p l i c a t i o n s i nt r i b o l o g i c a l 丘e l d t h er e s e a r c ho np a 6 厂l m m t eb l e n dw a sm a i n l yf o c u s e do nt h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e ns t r u c t u r e , c o m p a t i b i l i t ya n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ，b u tl i t t l eo nf r i c t i o n a n dw e a rb e h a v i o ra tp r e s e n tt i m e t h et r i b o l o g i c a la n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f p a 6 u h m w p eb l e n d sc o m p a t i b i l i z e dw i t he a a e aa p b oa n dm a h g h d p ew a sf i r s t r e s e a r c h e di nt h i sp a p 既o nt h i sb a s i s ，t h ei n o r g a n i cp a r t i c l e sa n du h m w p ew e r eu s e dt o p r e p a r ep a 6 舢h m w p e s i 0 2c o m p o s i t e s m a i nc o n t e n t sa n dr e s u l t sa r ea sf o l l o w s ： i tw a sf o u n dt h a tt h ea d d i t i o no fu h m w p ec o u l ds i g n i f i c a n t l yi m p r o v et h et r i b o l o g i c a l p r o p e r t i e so fp a 6 u h m w p eb l e n d s t h ef r i c t i o nc o e 伍c i e n tw a sr e d u c e df r o m0 4 81 f o r p u r ep a 6 t o0 419f o rb l e n d s w h e nt h er a t i oo fp a 6 几y h m w p ew a s8 0 2 0 t h et r i b o l o g i c a l p r o p e r t i e so ft h eb l e n d sc o m p a t i b i l i z e dw i t he a aw c l ef u r t h e ri m p r o v e d 。硒ef r i c t i o n e o e 街c i e n ta n dw e a rr a t eo fb l e n dc o m p a t i b i l i z e dw i t he a aa n dp b od e c r e a s e df r o m0 4 1 9 a n d6 x 1 0 七m m 3 ( n m ) f o ri n c o m p a t i b i l i z e db l e n dt o0 2 8 6a n d4 3 1 0 r m m ( n m ) b e s i d e s t h ef r i c t i o ne o e f f i c i e n to fb l e n dw h i c hw a sc o m p a t i b i l i z e dw i t hm a h g h d p ew a s0 3 2 4 a n dt h ew e a rr a t ew a sr e d u c e db y7 0 c o m p a r e dw i t ht h eb l e n dw i t hn oe o m p a f i b i l i z e ra n d 8 8 5 c o m p a r e dw i t hp u r e p a 6 m a i n w h i l e t h eb l e n dm a i n t a i n e dh i g h e rm e c h a n i c a l p r o p e r t i e s t h ew 0 1 t is u r f a c e so ft h eb l e n d sw e r eo b s e r v e dw i t hs e m ，a n dt h er e s u l t ss h o w e d t h a tt h ew e a rm e c h a n i s mo fp a 6 厂u h m w p eb l e n de o m p a t i b i l i z e dw i t hm a h g h d p ew a s a b r a s i v ew e a ra n das m a l la m o u n to fa d h e s i v ew e a l - n a n o s i 0 2 a n dm i c r o s i 0 2h a dac e r t a i n i m p a c t o nm e c h a n i c a l p r o p e r t i e s a n d t r i b o l o g i c a lp r o p e r t i e so fp a 6 d s cr e s u l t ss h o w e dt h a tn a n o s i 0 2a n dm i c r o - s i 0 2i n c r e a s e d t h ec r y s t a l l i n i t yo fp a 6 n a n o s i 0 2 p a t i c l e sc o u l de f f e c t i v e l yi m p r o v et h et r i b o l o g i c a l p r o p e r t i e so fp a 6 h o w e v e r , m i c r o s i 0 2d a m a g e dt h ef r i c t i o nc o e f ! e i c i e n to fc o m p o s i t e s ，w h i l e h a v eap o s i t i v ei m p a c to nt h ew e a rr a t e t h ea d d i t i o no fn a n o s i o ，o nt h eb a s i so fn l e p a 6 i j h m w p ec o u l df u r t h e rr e d u c et h ef r i c t i o nc o e f f i c i e n ta n dw e a rr a t e t h ef r i c t i o n c o e f f i c i e n tw a so n l y0 3 1 2 a n dt h ew e a rr a t ew a s0 4 x 1 0 6 m m ( n m ) t h a tw a st os a y n a n o s i 0 2a n du h m w p eh a das y n e r g i s t i ce f f e c tt oi m p r o v et h et r i b o l o g i c a lp r o p e r t i e so f p a 6 t h ep a p e ra l s os t u d i e dt h et r i b o l o g i c a lp r o p e r t i e so fp a 6a n di t sc o m p o s i t e su n d e r d i f f e r e n tl o a d sa n dl u b r i c a t i o n t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h em a t e r i a lh a dl o w e rf r i e t i o n 西华大学硕士学位论文 t o e 笳c i e n ta n dh i g h e rw e a l r a t eu n d e rh i g h1 0 a d w h i l ei th a dh i g h e rf r i c t i o nc o e f f i c i e n ta n d l o w e rw e a l r a t eu n d e rl o wi o a d t h ew e a rm e c h a n i s mo fp a 6 u h m w p e s i 0 2c o m p o s i t e s w e r ea b r a s i v ew e a l a n da d h e s i v ew e a ru n d e r3 0 0 n ，a n da b r a s i v ew e a l a n ds l i g h tf a t i g u ew e a r u n d e r2 0 0 n p a 6a n di t sc o m p o s i t e se x l r b i t e dd i f f e r e n tt r i b o l o g i c a lb e h a v i o ru n d e rw a t e r l u b r i e a t i o nf r o md r ys l i d i n gd u et ot h ed i f f e r e n tw e a rm e c h a n i s mu n d e rt w oc o n d i t i o n s b e c a u s eo ft h eb o u n d a r yf i l mf o r m e di nt h ef r i c t i o np r o c e s su n d e rw a t e rl u b r i c a t i o n ，t h e f r i c t i o nc o e f f i c i e n td e c r e a s e ds i g n i f i c a n t l y , w h i l et h ew e a rr a t ei n c r e a s e d k e yw o r d s ：n y l o n 6 ；u l t r a - h i g hm o l e c u l a rw e i g h tp l o y e t h y l e n e ；s i 0 2 ；f r i c t i o na n dw e a r i i i p a 6 a j h m w p e s i 0 2 复合材料的摩擦学性能研究 目录 摘要i a b s t r a c t i i 1 绪论1 1 1 概述1 1 2 聚合物的摩擦学2 1 2 1 聚合物的磨损形式2 1 2 2 聚合物摩擦学中的影响因素3 1 2 2 1 材料内部结构的影响3 1 2 2 2 外界条件的影响4 1 3p a 的摩擦学改性研究进展7 1 3 1纤维增强7 1 3 2 无机粒子填充改性9 1 3 2 1 普通无机粒子填充改性9 1 3 2 2 纳米无机粒子填充改性9 1 3 3无机粒子纤维混杂改性11 1 3 4与树脂共混1 2 1 3 5填充固体润滑剂1 3 1 4 课题的提出及主要研究内容1 3 2 p a 6 u h m w p e 二元共混物的力学和摩擦学性能1 6 2 1引言j 1 6 2 2 实验部分1 7 2 2 1实验材料17 2 2 2实验仪器1 7 2 2 3基本配方1 7 2 2 4 试样制备1 8 2 2 5 性能测试与表征：1 9 2 3 结果与讨论- 2 0 2 3 1p a 6 似h m w p e 二元共混物的性能2 0 2 3 2e a a 对p a 6 刖咀m w p e 共混物性能的影响2 0 2 3 2 1 力学性能2 0 i v 西华大学硕士学位论文 2 3 2 2 冲击断面分析2 2 2 3 2 3 摩擦磨损性能_ 2 4 2 3 2 4 磨损形貌观察2 4 2 3 3 e a a p b o 对p a 6 u h m w p e 共混物性能的影响2 6 2 3 3 1 力学性能2 6 2 3 3 2 冲击断面s e m 观察2 7 2 3 3 3 摩擦磨损性能2 8 2 3 3 4 磨损表面s e m 观察3 0 2 3 4 m a i - i - g - h d p e 对p a 6 p u h m w e 共混物性能的影响3 1 2 4 本章小结3 2 3 p a 6 u h m w p e s i 0 2 复合材料的力学和摩擦学性能3 3 3 1 引言3 3 3 2 实验部分3 4 3 2 1 主要材料3 4 3 2 2 实验仪器3 4 3 2 3 试样制备3 5 3 2 4 性能测试与表征3 5 3 3 结果与讨论3 6 3 3 1 纳米s i 0 2 和微米s i 0 2 对p a 6 材料性能的影响3 6 3 3 1 1 力学性能3 6 3 3 1 2 熔融与结晶行为3 8 3 3 1 3 摩擦磨损性能4 0 3 3 1 4 磨损表面观察4 2 3 3 2 纳米s i 0 2 用量对p a 6 u h m w p e 共混物性能的影响4 3 3 3 本章小结4 7 4 摩擦条件对p a 6 u h m w p e s i 0 2 复合材料摩擦学性能的影响4 8 4 1 引言。4 8 4 2 载荷对p a 6 基聚合物材料的摩擦磨损性能的影响4 9 4 3 水润滑条件下p a 6 a j h m w p e s i 0 2 复合材料的摩擦磨损性能5 2 4 3 1 四体系在水润滑条件下的摩擦学性能j 5 2 4 3 2 水润滑条件下p a 6 肥h m 、卯e 瓜a i l o s i 0 2 复合材料的摩擦学性能 5 7 v p a 6 a j h m w p e s i 0 2 复合材料的摩擦学性能研究 4 4 本章小结：5 9 5 全文结论6 l 参考文献k 6 3 攻读硕士期间发表的学术论文：。6 7 致谢6 8 v i 西华大学硕士学位论文 1绪论 1 1概述 聚酰胺( p o l y a m i d e ) 简称p a ，俗称尼龙( n y l o n ) ，是高分子主链上含有酰胺基 团的高聚物，可由氨基酸缩聚，内酰胺开环聚合或者由相应的二酸和二胺缩聚而成。它 具有强极性，分子间能形成牢固的氢键( 分子中的羰基与酰胺基团上的h 形成氢键) 。 p a 可以采用一般热塑性塑料的成型方法，如注塑、挤压、模压、吹塑、浇注等，也可 以采用特殊的工艺方法，如烧结成型，单体聚合成型法，还可以喷涂于金属表面作为耐 磨涂层及修复用，其中最常用的方法是注塑成型【l l 。目前，世界上p a 的基础种类主要 有p a 6 、p a 6 6 、p a 6 1 0 、p a l l 、p a l 2 等五种，此外还有p a l 0 1 0 、p a 4 、p a 8 、p a 9 、 p a 4 6 、浇铸p a 、聚芳酰胺等以及由此产生多达千余种的改性品种，其生产能力、产量 及消费量均居聚酰胺、聚甲醛、聚碳酸酯、热塑性聚酯、改性聚苯醚等五大工程塑料之 首，其中p a 6 和p a 6 6 由于其具有最佳韵性能价格比和加工性能优异等优点，生产量在 所有聚酰胺中最高。近年来，各个行业的快速增长给p a 6 、p a 6 6 及其改性产品带来了 更加旺盛的市场需求。 p a 由于具有良好的性能，在国民生产的众多领域都得到了较好的应用。p a 作为一 种高结晶性的工程塑料，力学性能优异，韧性较好，耐蠕变性能好，且具有耐寒、耐汽 油、耐高温等特性，可在4 0 1 0 0 范围内长期使用，使它迅速成为汽车工业中发动 机周边部件及各种内饰件的重要材料。此外，由于p a 具有自润滑、耐磨、高刚性、强韧 和耐热等优良性能，还被广泛用于制造机械零件，p a 作为轴承材料减轻了制品重量，同 时耐磨性和可靠性好，取代传统工艺材料而大大节省工时。p a 还具有一定的阻燃性，能 够自熄，又有良好的电绝缘性能，有1 3 - 1 4 的消耗量用于电气和电力工业上。p a 具有 较好的耐腐蚀性、耐油性和耐老化性，因而还被大量应用于化工设备如管道、过滤器、 容器等的制造，制品具有耐腐蚀性好、耐油性好、成本低和重量轻等优点。p a 还用于建 筑行业以及日用消费品等多个领域，如各种家用开关插头、电动工具、齿轮等口j 。近年 来，p a 改性产品在运输、通讯、机械、办公电器、娱乐用品、包装工业、医疗器械和体 育用品等方面的应用得到进一步扩大。 随着我国经济的腾飞，装备制造业的迅速发展，p a 的应用领域也不断扩大。特别是 p a 作为主要的耐磨结构件而广泛应用于汽车、仪器仪表、电子电器等领域，p a 的摩擦 学改性逐渐成为关注的焦点。 p a 6 u h m w p e s i o ：复合材料的摩擦学性能研究 1 2 聚合物的摩擦学 摩擦指的是两个相互接触的物体之间有相对运动或相对运动趋势时，其接触表面产 生阻碍相对运动的作用，阻碍相对运动的作用力叫摩擦力。对磨损的研究开展较晚，2 0 世纪5 0 年代提出粘附理论后，6 0 年代在相继研制出各种表面分析仪器的基础上，磨损 研究才得以开展。至此，综合研究摩擦、磨损和润滑的相互关系，并对摩擦磨损过程进 行预测与控制成为摩擦学发展的基本动力 3 1 。摩擦磨损是生活中常见的现象，摩擦和磨 损损失了大部分一次性能源，它可降低设备的精度，使其操作失灵和机械性能下降，甚 至引起设备报废或发生事故。研究摩擦和磨损的目的就是针对各种摩擦学现象尽可能采 用有效的方法来防止或减少材料的摩擦和磨损。尽管人们采用各种各样的方式来减少摩 擦和磨损，但摩擦和磨损仍然给国家造成巨大的损失。因此，改善材料的摩擦学性能、 降低摩擦、减少磨损、延长设备寿命是研究者不断追求的目标。 1 2 1聚合物的磨损形式 目前比较通用的磨损分类方法是以j t b u r w e l l 和c d s t r a n g 提出的按照磨损机理的 分类方法，即磨损通常分为粘着( 转移) 磨损、疲劳磨损、磨粒磨损和化学磨损等四种主 要的磨损形式1 4 j 。 粘着磨损又称咬合磨损，是指在聚合物材料表面与对偶面间的接触区域内，界面上 聚合物材料在摩擦过程中发生微凸体断裂，小片聚合物被撕裂下来粘附在对偶面上，形 成转移膜或自由磨损屑。粘着磨损是聚合物材料的主要磨损形式，具有软材料向硬质金 属摩擦副转移的重要特征。影响粘着磨损的因素主要有：材料自身的内聚能力、对偶面 的材质、表面粗糙度、洁净度、滑动速度、润滑条件、界面温度及负荷等。 疲劳磨损是指两个接触体在摩擦时表面受到周期性的循环应力，材料表面上的部分 微凸体引起材料接触区域局部应力集中，材料在这种交变应力的作用下表层和亚表层形 成裂纹发生疲劳磨损。疲劳磨损最普遍的出现形式是在滚动接触的零件表面上，如轴承、 齿轮、车轮等，点蚀及剥落是疲劳磨损最典型的特征。因为疲劳磨损也是在循环应力作 用下产生的失效形式，其失效过程同样包括裂纹的萌生、扩展及断裂，属于材料疲劳断 裂的一种特殊形式，因此疲劳磨损也被称为接触疲劳，在摩擦过程中受微观裂纹、温度、 分子量、外力以及表面状况等因素影响。 磨粒磨损是由于外界硬质颗粒或者粗糙对偶面上的凸起在摩擦副对偶表面相对运 动过程中引起材料的刮削剥落而导致的，当各种硬的粒子停留在摩擦界面上时，可以擦 伤或使得聚合物材料脱落从而使材料表面发生损耗，其特征是在摩擦副对偶表面沿滑动 方向形成划痕。 2 西华大学硕士学位论文 化学磨损是聚合物以化学降解和氧化的形式进行的一种磨损形式。在摩擦条件较差 的情况下，滑动界面在摩擦过程中产生的摩擦热使某些聚合物发生严重降解是化学磨损 的一种主要形式。借助x p s ( x 射线能谱) 、a e s ( 俄歇电子谱图) 、d s c ( 差示扫描量热 仪) 等检测手段可以研究化学磨损。 上述四种磨损是聚合物材料的主要磨损形式。此外，还有老化磨损、腐蚀磨损、蠕 变磨损、切削磨损等形式。聚合物材料在实际摩擦过程中的磨损是各种形式的磨损综合 损伤的结果，往往是多种磨损形式同时进行，其机理错综复杂，但某些材料在特定的工 况下，占主导的可能是某一两种磨损形式。外界因素如负载、转速、表面粗糙度、环境 温度、环境湿度、清洁度等和聚合物本身的结构也会影响其磨损机理。 1 2 2 聚合物摩擦学中的影响因素 一个完整的摩擦学系统主要由结构、操作条件、环境及表面条件三个基本部分组成。 其中结构包括材料的类型和接触的方式；操作条件包括运动方式、载荷、速度、应力和 时间等；环境及表面条件包括表面环境和化学、表面形貌和环境温度、气氛等。在实际 应用和研究中最常见的是聚合物与金属的滑动摩擦，聚合物材料在摩擦过程中，这些因 素共同作用于材料接触表面从而影响其摩擦磨损性能。 1 2 2 1 材料内部结构的影响 任何一种材料，宏观表现出来的各种性质都是由其微观结构决定的，聚合物材料的 摩擦学性能也与其结构相关，如分子量的大小、分子结构的差别、不同的结晶度等p j 。 ( 1 ) 分子量的影响 刘广建等【6 】针对u h m w p e 作为人工关节假体中髋臼材料的耐磨性，对国内分子量 最高( 4 9 7 万) 的u h m w p e 的模压成型试样和机加工成型试样的表面摩擦磨损性能进 行了研究，还对分子量与磨损量的关系进行研究。发现u h m w p e 的耐磨性随其相对分 子量的增大有所提高，相对分子量为4 9 7 x 1 0 4 的u h m w p e 比分子量为2 8 9 x 1 0 4 的 u h m w p e 的耐磨性提高31 。 ( 2 ) 分子结构的影响 聚合物与金属对偶件对磨时发生破坏的主要是聚合物材料，因此，聚合物分子间的 抗剪切强度可以用来衡量其摩擦磨损性能。对于分子结构具有对称性的聚合物材料，单 个分子具有光滑平整的轮廓，分子间抗剪切强度较小，摩擦系数较小；对于分子链结构 不对称的聚合物材料，摩擦系数一般都比较大。因此，评价聚合物材料摩擦学性能的一 个重要因素就是分子链结构的对称性。许晓璐等【7 】制备出两种分子结构( 均苯型和单醚 酐型) 的聚酰亚胺( p i ) 固体润滑膜，在考察两种p i 膜摩擦学特性时发现：较脆的均苯 p a 6 & r h m w p e s i 0 2 复合材料的摩擦学性能研究 型p i 膜在摩擦过程中附着力不好，在对偶面形成的转移膜不连续均匀，且存在的硬质 点使薄膜表面有撕裂现象。在高载荷条件下摩擦时，单醚酐型p i 膜由于分子链段在高 载荷下仍具有较好的柔性，使其可以旋转而不是断裂，因此承载能力较高，膜层不容易 发生脆性剥落而失去润滑能力，因此仍具有较低的摩擦系数，单醚酐型p i 膜较好的摩 擦性能与其分子结构密切相关。 ( 3 ) 结晶度的影响 对于p a 、p p s 和h d p e 等结晶型聚合物材料来说，摩擦系数一般都比较小。关于 聚合物材料摩擦学性能与其结晶度的关系研究不多，且研究结果也不尽一致。胡萍等f 8 】 研究了三种工艺对聚四氟乙烯的结晶度和摩擦学性能的影响，发现空气冷却时的结晶度 最大，水冷却时结晶度较低，而随炉冷却时结晶度最低，但随炉冷却时的摩擦系数最大， 磨损量是空气冷时最大。也就是说聚四氟乙烯的结晶度越小，摩擦系数较大，而磨损量 则较小。倪自丰等【9 j 考察了超高分子量聚乙烯的不同结晶度对其生物摩擦学性能的影响， 发现超高分子量聚乙烯的结晶度较高的试样在2 5 d x 牛血清润滑下的摩擦系数和磨损 体积均较低，其摩擦系数和磨损体积分别为0 0 6 5 、0 1 2 4 m m 3 ：而结晶度较低的超高分 子量聚乙烯的摩擦系数为0 0 9 7 ，磨损体积为o 1 5 4r a i n 3 ，摩擦系数和磨损体积分别提高 了4 9 和2 4 ，大片晶随着超高分子量聚乙烯结晶度提高而形成，从而使其耐磨性得以 改善。 1 2 2 2 外界条件的影响 ( 1 ) 载荷的影响 研究表明，聚合物与金属在载荷较低时的干摩擦系数随着载荷的升高而降低，当载 荷进一步增加时，大部分聚合物会出现摩擦系数升高的现象。因为载荷较高时，其对摩 擦系数的影响有可能被摩擦过程中摩擦界面间产生的摩擦热对摩擦系数的影响所掩盖。 孙义明i lu j 研究了载荷对纳米a 1 2 0 3 填充的p a 6 复合材料摩擦学性能的影响，发现低载荷 下复合材料的摩擦系数随载荷增加而变小，当载荷为1 5 0 n 时，摩擦系数达到最小值 0 1 l ，此后随着载荷的增加，摩擦系数上升。在较低载荷时，材料磨损量略有增加，但 变化不大；当载荷达1 5 0 n 以后，磨损量迅速增加。孙义明认为这是因为在低载荷时， 生成的少量摩擦热几乎可以被忽略，样品塑性变形很小；在高载荷的情况下，由于摩擦 界面间摩擦热的积累速度加快，生成了大量的摩擦热，样品发生严重的塑性变形，样品 表面变得较粗糙，剪切力增大，从而导致摩擦系数和磨损量都增大。王世博等f l l 】发现纯 p a 的摩擦系数随载荷的增大急剧降低，磨损率上升，而填充氧化锌晶须的复合材料摩 擦系数和磨损率受载荷的影响较小。 4 一一 西华大学硕士学位论文 ( 2 ) 速度的影响 在研究速度对聚合物摩擦学性能的影响时面临一个难题，那就是必须将速度的影响 和摩擦温度的影响区分开来。速度较低时，摩擦过程中产生的摩擦热导致聚合物表面升 高的温度可以忽略，聚合物的摩擦系数不依赖于滑动速度；随着滑动速度的增加，滑动 速度对摩擦系数的影响与摩擦热引起的温升对聚合物摩擦系数的影响交叠在一起，在聚 合物玻璃化温度附近，摩擦系数对滑动速度的变化出现不连续情况。聚合物在摩擦过程 中温升的影响与滑动速度对聚合物摩擦系数的影响随实验条件如周围介质的温度等诸 多参数的不同而变得非常复杂。葛世荣等【1 2 】在进行纳米s i 0 2 填充尼龙p a l 0 1 0 的摩擦磨 损性能实验研究时关于速度对摩擦学性能的影响用了0 4 3 m s 、0 5 3m s 、0 7 4m s 、0 。8 4 m s 等四个滑动速度，材料的摩擦系数随滑动速度的增加呈现先增大后减小的趋势，磨 损量随滑动速度的增加呈现增大的趋势，当滑动速度小于0 7m s 时材料的磨损量急剧 增加，当滑动速度大于0 7m s 以后，材料的磨损量增加明显变缓，葛世荣认为出现磨 损量随滑动速度不同出现两个增长区段的原因是低速摩擦区段的磨损机理转变导致磨 损量大幅度增加，而高速摩擦区段的磨损机理基本没有变化，因而其磨损量增加较缓。 黄传辉【1 3 】考察了在干摩擦、水润滑两种条件下滚动速度对p a l 0 1 0 、p t f e 、胶木4 0 1 2 摩擦系数的影响时认为两种实验条件下摩擦系数均随转速增加呈增大的趋势。唐群国等 认为在速度较低时，材料表面有一明显的磨合过程，且此过程较长；而在速度较高条 件下，磨合过程不明显，摩擦系数很快就趋于一稳定值。在载荷一定的条件下，摩擦系 数随滑动速度的增加而下降。 ( 3 ) 温度的影响 聚合物材料应用广泛，但其低导热性很容易导致摩擦过程中产生的热量在其接触面 积累，从而使其摩擦界面的温度升高。聚合物材料的各种性能很容易受温度的影响，其 机械性能随温度的升高而降低。对于半晶型的聚合物，其摩擦系数与温度的关系可由图 6 表示【1 5 】。郑立允掣1 6 】通过原位聚合的方法制备了p a 6 a 1 2 0 3 复合材料，发现其实验结 果与图1 1 一致。在实验中，摩擦接触面的平均温度已介于p a 6 的t g 和t m 之间( t g 表示非晶聚合物的玻璃化转变温度；t m 表示结晶聚合物的熔点) 。在速度和载荷较低 时，p a 6 表面已处于图1 1 中的i i 区，即黏弹态向黏流态转变的阶段，其摩擦系数高是 由于此阶段的粘着和变形比较严重。当滑动速度和载荷继续增加达到一定程度时，p a 6 处于图1 1 的m 区，即黏流态，摩擦速度和载荷的增大导致摩擦温度的升高，从而使表 面的黏度降低，摩擦系数减小。汪小伟等【1 7 】利用高温气氛摩擦试验机研究了u h m w p e 和质量分数为5 的a 1 2 0 3 复合材料在不同温度下的摩擦磨损性能。实验发现，当温度 p a 6 u h m w p e s i 0 2 复合材料的摩擦学性能研究 升高时，纳米a 1 2 0 3 可能出现团聚的现象，由于其大的比表面积使得与基体材料的相容 性交差，因此导致复合材料的摩擦系数变大：当温度超过9 0 。c 后，由于u h m w p e 的 塑性变形导致摩擦系数又出现减小的趋势。磨损宽度随温度的变化趋势与摩擦系数基本 一致。 铽 媒 避 馨 增加试验瀛度u l p 增加楫动速度或载荷) 图1 1 摩擦系数与温度之间的关系 f i 9 1 1r e l a t i o n s h i pb e t w e e nf r i c t i o nc o e f f i c i e n ta n dt e m p e r a t u r e ( 4 ) 对偶表面粗糙度的影响 研究表明，不同材料在不同的摩擦条件下，其摩擦磨损性能受对偶件表面粗糙度的 影响是不同的。在水润滑条件下，有的材料随对偶件表面粗糙度的降低，磨损率减小； 干摩擦时，有可能并非对偶件的表面粗糙度越低越好，而是存在一个较佳的粗糙度使材 料的磨损率最小。代汉达等【1 8 】考察了水润滑条件下m o s 2 p t f e 复合材料的摩擦磨损性 能受对偶件表面粗糙度的影响。实验发现，在水润滑条件下一般存在着一个较佳的对偶 件表面粗糙度范围，在这个范围内摩擦因数和磨损率最低；当对偶件表面粗糙度高于或 低于这个范围时，摩擦磨损行为都将发生改变，前者主要是机械作用；而后者的摩擦磨 损行为则主要是由于分子作用导致的。在本实验中，钢环的最佳表面粗糙度范围是 r a 0 0 8 2 0 1 4 2 9 m 。王军祥等【l9 】在干摩擦条件下研究了对偶件表面粗糙度对碳纤维增强 尼龙1 0 1 0 复合材料摩擦磨损性能的影响，通过对磨损表面的观察发现：在实验的前后 对偶件表面发生了明显的变化，复合材料的最低磨损率在对偶件的表面粗糙度r a 0 1 1 0 1 3 9 m 的范围内取得，此时在对偶件的表面形成了较均匀、连续且致密的转移膜。王 军祥认为：对偶件原始表面粗糙度越大，其磨损表面粗糙度的降低越显著：而p a l 0 1 0 复合材料与表面租糙度不同的对偶件进行摩擦时，其摩擦磨损性能差异主要取决于相应 转移膜的性能差异。 6 一 一一一一 西华大学硕士学位论文 1 3p a 的摩擦学改性研究进展 p a 是具有结构规整性和高结晶性的线型聚合物，其自润滑性能好，是工程应用比 较广泛的聚合物摩擦材料。但存在尺寸稳定性较差，吸水性较大，干摩擦时摩擦系数较 高，热变形温度低，物理机械性能还不够理想等缺点，不能用作高速摩擦副材料，其应 用受到一定的限制。因此对其摩擦磨损行为的深入研究有助于提高p a 零件摩擦副的摩 擦学性能。目前，对于p a 材料的摩擦学研究主要有两方面，一是研究p a 材料的摩擦 磨损机理；二是研究p a 材料的各种改性途径，以改善p a 的摩擦磨损性能。 1 3 1 纤维增强 纯p a 具有高的吸水率，其模量、强度、摩擦学性能也因其吸水而受到影响，应用 受到了一定的限制，但加入碳纤维( c f ) 、玻璃纤维( g f ) 、芳纶纤维( a f ) 、石墨纤维、 石棉纤维等可以提高其性能，不仅保持了p a6 树脂的耐化学性、加工性优良等固有优 点，而且力学性能、耐热性能有了大幅度提高，摩擦学性能和尺寸稳定性也有明显改善， 但纤维与p a 基体的结合能力对改性效果有很大影响【2 0 】。碳纤维( c f ) 具有比强度、比 模量高，耐腐蚀，耐疲劳，自润滑，抗蠕变，导热性好，线膨胀系数小等一系列优异的 性能，既可作为承载负荷的结构材料，又可作为发挥一定作用的功能材料【2 。j l i 暇】 在研究c f 增强p a 6 的摩擦学性能时发现c f 的加入能有效地降低p a 6 的摩擦系数，并 能改善p a 6 的耐磨性。当c f 体积分数为2 0 时，材料的抗磨