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题名	纳米填料填充UHMWPE复合材料微动摩擦磨损行为的研究
作者	辛小翠
答辩日期	2021-05-21
授予单位	中国科学院大学
授予地点	北京
导师	阎逢元 王云霞
关键词	UHMWPE，纳米填料，复合材料，微动摩擦磨损，转移膜 UHMWPE, Nanofiller, Composites, Fretting wear, Transfer film
学位名称	工学博士
其他题名	无
学位专业	材料学
英文摘要	超高分子量聚乙烯（UHMWPE）是一种性能优异的聚合物材料，常被用作各类机械设备的连接、紧固部件。但在应用中UHMWPE往往会与接触金属产生小幅度相对运动，不可避免地受到微动磨损，影响其在实际应用中的稳定性和可靠性。因此，研究UHMWPE的微动磨损及调控机制具有重要的科学意义和工程价值。为延长材料的使用寿命，满足严苛条件下UHMWPE的服役要求，需对UHMWPE进行改性处理。填料改性是改善UHMWPE摩擦学性能的一种简单有效方式。相比于常规尺寸的填料，纳米填料具有粒径小、比表面积大、量子尺寸效应等特点，用很小的填充量就可达到良好的减摩抗磨效果且不会引起材料力学性能的降低。而目前，有关纳米填料改性UHMWPE复合材料摩擦学性能的研究主要集中在滑动摩擦磨损领域，而对其微动磨损条件下的摩擦磨损性能的研究不系统。因此，有必要开展纳米填料改性UHMWPE复合材料在微动条件下的摩擦磨损特性及规律研究，以期对纳米填料改性UHMWPE复合材料在实际工况中的应用提供理论指导。基于此，本论文系统研究了几种纳米填料填充UHMWPE复合材料的微动摩擦磨损行为。 论文选取几种常用的纳米碳材料（碳纳米纤维、氧化石墨烯、石墨相氮化碳）、金属、金属化合物作为填料，制备了一系列UHMWPE复合材料；研究了纳米填料的种类、含量对UHMWPE复合材料微动摩擦磨损行为的影响；考察了接触条件如振幅、频率对材料微动磨损性能的影响规律。在单一纳米填料填充UHMWPE的研究基础上，进一步探索了杂化填料对UHMWPE微观结构、机械性能和热性能的影响，阐明了杂化填料填充UHMWPE复合材料的微动磨损机理。主要得出以下结论： （1）填充碳纳米纤维（CNF）可以提高UHMWPE复合材料的耐磨性能，但其摩擦系数增大。与CNF相比，沸石咪唑酯骨架材料修饰后的碳纳米纤维（ZIF8-CNF）与UHMWPE基体的界面结合较好，填料起到良好的承载作用，因此ZIF8-CNF填料在提高UHMWPE微动摩擦磨损性能方面的效果更好，当填料含量为2%时，复合材料具有最低的摩擦系数和磨损率。 （2）石墨相氮化碳（g-C3N4）填充UHMWPE复合材料的微动摩擦磨损性能受填料含量的影响明显：填充适量的g-C3N4后，复合材料的微动摩擦磨损性能提高，填料的含量为2%时，复合材料微动摩擦磨损性能最佳。由于g-C3N4的增强作用和WS2的润滑作用协同发挥效应，杂化填料WS2-g-C3N4（WCN）在提高UHMWPE微动摩擦磨损性能方面的效果更佳。此外，钢球表面转移膜的形成进一步减轻材料的摩擦磨损，因此0.5WCN/UHMWPE复合材料具有最优的微动摩擦磨损性能。 （3）氧化石墨烯（GO）填充UHMWPE后可以起到减摩抗磨的效果，填充1%的GO时，复合材料的摩擦系数最低；填充量为0.25%时，复合材料的磨损率最低。SiO2修饰GO（GS）杂化填料含量对UHMWPE的微动摩擦学性能有明显影响：当GS填料的含量为0.5%时，复合材料耐磨性能最佳。与SiO2/UHMWPE、GO/UHMWPE复合材料相比，由于GO的润滑作用有利于降低复合材料的摩擦系数，SiO2的承载作用有利于提高复合材料的耐磨性能，因此GS/UHMWPE复合材料的微动摩擦磨损性能最佳。 （4）Zn、Cu纳米颗粒均有利于降低UHMWPE复合材料的摩擦系数和磨损率：纳米Zn的含量为1%时，复合材料具有最佳的微动摩擦磨损性能；纳米Cu的含量为1.5%时，复合材料的减摩效果最佳。由于钢球与1.5% WS2/UHMWPE复合材料对摩后，钢球表面形成均匀的转移膜减轻了材料的磨损，因此1.5% WS2/UHMWPE复合材料的摩擦磨损性能最佳。纳米Al2O3和ZrO2的添加均有利于提高复合材料的微动摩擦磨损性能，纳米Al2O3和ZrO2的最佳含量分别为1.5%和2%。
语种	中文
目次	0
页码	136
内容类型	学位论文
源URL	[http://ir.licp.cn/handle/362003/29116]
专题	兰州化学物理研究所_固体润滑国家重点实验室
作者单位	1.中国科学院大学 2.中国科学院兰州化学物理研究所;
推荐引用方式 GB/T 7714	辛小翠. 纳米填料填充UHMWPE复合材料微动摩擦磨损行为的研究[D]. 北京. 中国科学院大学. 2021.

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