金属-超高分子量聚乙烯复合材料的制备工艺

1、金属-超高分子量聚乙烯复合材料的制备工艺第2O卷第5期Vo1.2ONO.5?湖北工业大学学报JournalofHubeiUniversityofTechnology2005年1O月Oct.2005文章编号10034684I2005)10007503一金属一超高分子量聚乙烯复合材料的制备工艺夏露,黄晋,张友寿(湖北工业大学机械工程学院,湖北武汉430068)摘要通过预制金属基体.采用模压成型方法,采取二条不同的工艺路线进行金属一超高分子量聚乙烯复合材料的制备.找出了金属一超高分子量聚乙烯复合材料的最佳制备工艺.关键词复合材料;预制;金属基体;模压中图分类号TG174.464文献标识码:A超高分子

2、量聚乙烯(UltraHighMolecularWeightPolyethylene简写为UHMWPE)最初由西德的赫斯特(Hoechst)公司于1958年研发,是一种价格适中,性能优良的热塑性工程塑料口.由于其强度低,导热性差,热变形温度低,在实际应用中一般采用复合技术3来达到改性的目的.但在机械行业中,其强度和导热性仍然不能满足使用要求.同时,UHMWPE在我国出现较晚,成型加工上的特殊性也限制了其推广应用速度7.金属材料强度高,导热性好,但耐磨性,耐腐蚀性等不如UHMWPE.如果将这两种低成本而性能截然不同的材料结合在一起,形成一种复合材料,将会充分发挥各自的优越性.为此,本文通过大量的实

3、验,对金属一UHMwPE复合材料的制备工艺进行研究,找出了该复合材料的最佳成型工艺,并对所制备的复合材料进行了性能测试.1实验材料及方法1.1实验材料金属基体(本实验为普通灰铸铁,HT150);UHMWPE,300万分子量,北京助剂二厂生产.1.2金属-UHMWPE复合材料的制备金属一UHMWPE复合材料的制备包括金属基体的成型和复合材料的制备.1.2.1金属基体的成型金属基体的成型是制备该复合材料的关键技术之一.其制备流程如图1所示.垄竺塑圭茎堡竺H堡堕堡而舌缠绕砂芯塑H塑H垒笪H堕型图1金属基体制备流程要将金属基体与uHMWPE牢固结合在一起,按常规的方法首先应对金属基体表面进行预处理,预

4、处理过程复杂,而且复合材料的结合强度比较低.本研究是在金属基体生产过程中,在其表面形成”拉勾”结构(如图2所示),利用”拉勾”结构将金属基体与UHMWPE牢固结合起来.其优点在于,制备复合材料之前无须对基体表面进行预处理.因此,既简化生产工序,降低生产成本,又不会造成环境污染,还解决了长期以来基体材料与涂层的界面问题.80图2成型后的金属基体示意图1.2.2金属-UHMWPE复合材料的制备工艺采用模压成型方法,在金属基体表面压制uHMWPE耐磨层(厚度小于5ram),形成金属一UHMWPE复合材料.实验采取2条工艺路线来制备复收稿日期20050510作者简介夏露(1971一).女.湖北武穴人.

5、湖北工业大学讲师.工学硕士.研究方向:金属材料及复合材料.+f76湖北工业大学学报2005年第5期合材料.工艺路线分别如下:工艺路线1:预压一烧结一加压一保压一冷却一脱模.工艺路线2:预热一预压一烧结一加压一保压一冷却一脱模.2实验内容2.1复合材料的制备鉴于UHMWPE的导热性差,在工艺路线1中分别采取了连续升温和阶梯升温两种烧结方式,加压压力为8MPa.制备工艺如表1,2所示.由于该复合材料是以金属为基体,其强度主要由金属基体的力学性能决定,可根据需要选择合适的金属基体材料来保证强度足够.本文主要对制备的复合材料进行了耐磨性和导热性测试,模拟轴承的使用状态,将钻床进行改装,在载荷100N,

6、转速为480r/min的条件下,对制备的复合材料进行耐磨性和导热性测试.对磨材料选用45钢,Ra为(6.312.5)”m.测试时间为10h,从(0300)min(5h)内每20min测量一次磨损量,到10h时再测量磨损量;导热性测量通过改装的热电偶测温仪从(010)h随时记录温度变化.衰1第1种工艺路线的复合材料连续升温制鲁工艺3实验结果与讨论注:T为复合材料进炉的温度分析表1结果后,阶梯升温中固定T初一124,改变预压参数和烧结参数.衰2第1种工艺路线的复合材料阶梯升温制鲁工艺在实施第2条工艺路线时,参考了前面的实验结果,固定了预热(160,20min),预压(6MPa)和加压(8MPa)工

7、艺参数,探讨了烧结参数对复合材料成型性的影响.工艺如表3所示.衰3第2组工艺路线的复合材料制鲁工艺编号烧结参数1112131415190.80min260.80min260.80min200.180min200.150min表1,2,3中的压力均为压力机显示的压力数据;带号均为为实验成功的工艺,并且为验证该工艺稳定性,重复做5次实验,结果表明工艺稳定,性能可靠.2.2复合材料的性能测试3.1性能测试结果通过上述工艺实验分析,实验编号为6,10,15的3组工艺均可制备出透明,光滑的UHMWPE耐磨层,且复合材料界面结合紧密.将该3种工艺条件下制备的复合材料分别进行了性能测试.结果表明:三者的耐磨

8、性和导热性相差不大.在本实验条件下,从(060)min期间磨损处于跑合期,复合材料的磨损量随时间的延长而不断增大,随后进入一个稳定阶段,磨损量较前一阶段要小得多,一直到300min都是如此,然后直接到10h,再测磨损量时,发现依然处于稳定阶段,总的磨损量为0.098mm.性能测试结果还表明,复合材料的温度随着磨损时间的延长而缓慢升高,但温升速率呈现不断下降趋势.前60min内温度变化较明显,温升为2;从(60300)min温升为1.7;从5h到10h时,温升只有0.3.当磨损时间达到10h时,总温升为4.5.3.2工艺实验结果工艺实验结果分析表明,实验编号为6,10,15的3组工艺均适合制备金

9、属一UHMWPE复合材料,但从性能,经济性,操作的复杂性等方面综合分析,第6种工艺,即预压(6MPa)一烧结(T初一178,195/3.5h)一加压(8MPa)一保压一冷却一脱模,为该复合材料的最佳成型工艺.3.3讨论通过实验对比分析发现,当烧结温度为(200±10),成型压力为8MPa时,烧结时间和预压压力对制品成型性影响非常大.当烧结时间不变时,预压压力增大,有利于UHMwPE粉料的传热,白芯明显减少;若预压压力过大,则会降低UHMwPE的传热,白芯又将增多.实验表明,最第2O卷第5期夏露等金属一超高分子量聚乙烯复合材料的制备工艺77合适的预压压力为6MPa.当预压压力不变时,缩

10、短烧结时间,粉料的传热时间相应减少,白芯大量出现,适当延长烧结时间,就可获得光洁,透明的制品,但烧结时间过长,就会出现降解.因此,在制备该复合材料时需要掌握好预压压力和烧结时间两个参数,是否预热,对其成型性影响不大.多次实验表明3种工艺的稳定性和重复性都很好.聚合物在工作中随着温度的上升,摩擦系数将增大,磨损量也会增大,但当温升小于1O时,摩擦系数变化不大9.金属一UHMWPE复合材料在实验过程中的磨损量较小,表明UHMWPE与金属进行复合后,加快了UHMWPE热量的传递,导致这种复合材料在使用过程中温升不大.4结论1)制备复合材料时,采用”拉勾”结构可以不用对基体表面进行预处理.2)制备金属

11、一UHMWPE复合材料的最佳成型工艺为:预压(6MPa)一烧结(195/3.5h,丁初=178)一加压(8MPa)一保压一冷却一出模.-考文献刘广建.超高分子量聚乙烯M.北京:化学工业出版社.2001.梁淑君.超高分子量聚乙烯的研究现状J.山西化工,2002,22(2):2022.刘广建.填料对超高分子量聚乙烯的改性及其在矿山的应用J.现代塑料加工应用,2O00.10(4):1213.何春霞.不同材料填充超高摩尔量聚乙烯复合材料的力学性能分析J.塑料工业,2002.30(5):2931.刘朝宗.填料改性UHMwPE基复合材料拉伸磨损性能的研究J.吉林工业大学学报,1996,26(3):4245

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