铜粉\石墨改性UHMWPE复合材料摩擦学性能研究

摘要：通过制备铜粉、石墨粉改性的UHMWPE复合材料，考察了复合材料的力学性能及摩擦学性能，本文对此进行了详细的探讨。

Abstract: Through preparing the copper, graphite modified UHMWPE composites materials, the authors investigated the mechanical properties and tribological properties of composite materials. The paper discussed it in detail.

关键词：UHMWPE；铜粉；石墨粉；摩擦磨损

Key words: UHMWPE；copper；graphite；friction and wear

中图分类号：TB39 文献标识码：A文章编号：1006-4311（2010）35-0154-02

0引言

超高分子量聚乙烯（UHMWPE）以其优异的摩擦学性能日益受到人们的重视。通过填料改性制备的UHMWPE复合材料，可以在保持UHMWPE优良性能的同时，有效改善材料的综合力学性能，这对于扩大材料的应用范围具有积极的现实意义[1-4]。石墨作为一种常用的固体剂，常用于降低聚合物的摩擦系数，粉末填料铜的加入也有利于降低聚合物的摩擦系数和磨损率。本工作分别以石墨和金属铜粉填充UHMWPE，研究了填料的添加量对材料力学性能、摩擦学性能的影响，比较了石墨和铜粉在改善材料力学性能、摩擦学性能方面的差异，并探讨了复合材料的磨损机理。

1实验部分

1．1 原料UHMWPE粉料的分子量为250～350万，粉料粒径为20μm～39μm，密度：0.935g/cm3；铜粉纯度>99.7%，粒度为200目，杂质最高含量：铁

1．2 材料制备将铜粉、石墨粉分别加入质量1.5~2%的KH-560硅烷偶联剂和适量丙酮后超声振荡30min，然后放入70℃干燥箱内，待丙酮蒸发后取出研磨并过200目筛。按不同质量分数将铜粉、石墨粉与UHMWPE混合后在球磨机内混料8小时，将混合后的粉料加入模具预压，压力为20MPa，将模具逐渐加热到200℃并保持120min，加压45MPa并保持40min，待模具自然冷却后脱模。冷却后将产品置于干燥箱内，在80℃温度下保温120min，消除样品内应力。

1．3 性能测试利用WDW-20电子万能实验机测量复合材料的各项力学性质，实验按GB16421―1996进行，拉伸速度为1mm/min，剪切速度为10mm/min。利用XHS微观硬度计测量复合材料的硬度，载荷50g，保压15s。相同试样的测量实验均重复5次，以实验的平均值作为测试结果。

摩擦试验在M-2000试验机上进行。以45#钢环分别与各复合材料试样配副进行实验。钢环外径：40mm，内径：16mm，厚：10mm，调质处理后硬度为HRC45，外圆表面磨削后用1200#砂纸打磨抛光至表面粗糙度Ra=0.4μm。复合材料试验表面粗糙度均为Ra=0.2μm。实验时45#钢环以转速200rpm匀速转动。实验条件为干摩擦，接触压力100N、200N。摩擦力矩由试验机读出并换算成摩擦系数。试验前试样经无水乙醇清洗干净，置于干燥箱内在80℃温度下干燥1小时。实验时间：30min。实验结束后将聚合物试样取下，经无水乙醇清洗干净并置于80℃温度下干燥1小时后，采用感量为0.1mg的光学分析天平称量实验前后的试件质量。相同实验进行三次，磨损量计算取三次试验的平均值。采用S250MK-III型扫描电镜观察试样的磨损表面形貌。

2实验结果

2．1 复合材料的力学性能铜粉、石墨改性后UHMWPE复合材料的力学性能见图1。可以看出，随铜粉含量的增加，复合材料的抗拉强度呈现先增长、后降低的趋势。当填充颗粒为10wt%时，复合材料的抗拉强度达最大值：21.34MPa。用石墨粉增强时，复合材料的抗拉强度随颗粒含量的增加而逐渐下降，四种填充比例下抗拉强度分别下降了18.4%、26.0%、32.4%及34.2%。两种颗粒填充后复合材料的抗剪强度均降低了，且随颗粒填充量的增加抗剪强度逐渐下降。与铜粉相比，石墨粉对复合材料抗剪强度的影响更大。铜粉增强时复合材料的硬度随颗粒含量的增加呈逐渐上升的趋势。石墨粉则相反，随着其颗粒含量的增加，复合材料的硬度逐渐下降。

2．2 复合材料的摩擦磨损性能图2示出了复合材料摩擦系数与颗粒含量的关系。可以看出，铜粉、石墨粉的添加均使得复合材料的摩擦系数减小，且相同颗粒含量情况下，100N载荷时的摩擦系数略小于200N时的摩擦系数。比较可见，相同颗粒含量时，石墨粉填充复合材料的摩擦系数要低于铜粉填充的材料，这表明石墨粉作填充剂时的性能要优于铜粉。

颗粒含量对复合材料磨损量的影响见图3。由图可见，随着颗粒含量的增加，复合材料的磨损量呈现出先降低、再上升的变化趋势。铜粉填充的复合材料当颗粒含量为15wt%时磨损量达到最低值：0.41mg（100N）、0.701mg（200N），与纯UHMWPE相比分别降低了76.7%、77.5%。石墨粉填充时则在颗粒含量为10wt%磨损量最低，分别为0.471mg（100N）、0.94mg（200N），比纯UHMWPE分别降低了73.2%、69.9%。相同颗粒含量情况下，100N载荷时的磨损量与200N时相比基本接近1：2。

复合材料磨损后的表面形貌如图4所示。由图4（a）可以看出，铜粉填充复合材料磨损表面的铜颗粒被严重磨损，表面犁沟明显，划痕清晰可见。但在磨损表面上未见有铜颗粒脱落的迹象。这表明填充的铜颗粒与基体的结合力较强，在摩擦力作用下仍能牢固地粘附于基体之中。石墨粉填充复合材料磨损表面凹凸不平，显示出大面积的塑性变形迹象，并伴随有裂纹产生，一些石墨粉在磨损过程中形状发生变化，呈现出片状结构，见图4（b）。这表明填充的石墨颗粒与基体的结合力也较强，在摩擦力作用下与铜粉一样牢固地粘附于基体之中。

3讨论

石墨和铜粉颗粒的尺寸较小、表面积大，表面经偶联处理后与UHMWPE基体结合紧密，界面粘接强度高。当复合材料受摩擦力作用时，微粒不但能较好地传递所承受的载荷，且其本身被磨损时也会消耗大量的摩擦能，从而达到增强耐磨性的作用。但若填充颗粒的质量分数超过一定范围时，填充颗粒在复合材料中的团聚程度加剧，分散体尺度增大。大的团聚体不能有效保证颗粒与UHMWPE基体的接触面积，从而使材料的耐磨性能下降。石墨粉填充复合材料的摩擦系数小于铜粉填充材料，是由于石墨在摩擦过程中层与层之间容易滑移、剥落而向对磨面转移，起到类似于固体作用。但石墨硬度低，抗磨料磨损的能力低于铜颗粒，因此其填充的复合材料的耐磨损性能不如铜粉填充材料好。

4结论

4.1 复合材料的抗拉强度随铜粉含量的增加呈现先增长、后降低的趋势，当填充颗粒为10wt%时，复合材料的抗拉强度达最大；复合材料的抗拉强度随石墨粉含量的增加而下降。复合材料的抗剪强度随两种颗粒填充量的增加而下降。复合材料的硬度随铜粉含量的增加上升，随石墨粉含量的增加下降。

4.2 铜粉、石墨粉的添加均使得复合材料的摩擦系数减小，石墨粉填充时摩擦系数要低于铜粉填充。随着填充颗粒含量的增加，复合材料的磨损量呈现出先降低、再上升的变化趋势，铜粉及石墨粉的填充量分别为15wt%、10wt%时复合材料的磨损量最低。

参考文献：

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