超高分子量聚乙烯及其納米Al2O3填充復(fù)合材料摩擦磨損性能研究

超高分子量聚乙烯及其納米Al2O3填充復(fù)合材料摩擦磨損性能研究摘要：本文主要研究了超高分子量聚乙烯及其納米Al2O3填充復(fù)合材料的摩擦磨損性能。采用了摩擦測試儀和磨損測試儀對(duì)樣品進(jìn)行測試，并通過掃描電子顯微鏡觀察了材料磨損后的表面形貌。研究發(fā)現(xiàn)，隨著納米Al2O3填充量的增加，復(fù)合材料的摩擦系數(shù)和磨損率均呈現(xiàn)出下降的趨勢，其中填充量為3%時(shí)表現(xiàn)最佳。同時(shí)，納米Al2O3填充物可以有效地填充超高分子量聚乙烯中的微孔和缺陷，增強(qiáng)了材料的硬度和耐磨性。

關(guān)鍵詞：超高分子量聚乙烯；納米Al2O3填充；復(fù)合材料；摩擦磨損性能

Introduction

超高分子量聚乙烯(UHMWPE)具有優(yōu)異的耐磨性、低摩擦系數(shù)和高強(qiáng)度等性能，因此被廣泛應(yīng)用于制作各種摩擦部件和機(jī)械零件。但是，UHMWPE存在著微觀孔隙和缺陷，這些缺陷會(huì)影響材料的力學(xué)性能和耐磨性能。因此，將納米材料填充到UHMWPE中制成復(fù)合材料可以有效地改善材料的性能。

本文采用納米氧化鋁(Al2O3)作為填充物，研究了不同填充量下的復(fù)合材料的摩擦磨損性能。通過摩擦測試和磨損測試，研究了復(fù)合材料的摩擦系數(shù)和磨損率隨填充量變化的規(guī)律，并結(jié)合掃描電子顯微鏡觀察了磨損后的材料表面形貌，分析了納米Al2O3填充物對(duì)UHMWPE復(fù)合材料性能的影響。

MaterialsandMethods

實(shí)驗(yàn)材料采用了超高分子量聚乙烯(UHMWPE)和納米氧化鋁(Al2O3)。復(fù)合材料的制備采用了熱壓成型方法，熱壓溫度為185℃，熱壓時(shí)間為10min，壓力為15MPa。

摩擦磨損測試采用了MM-2000型摩擦測試儀，在室溫下采用圓盤對(duì)平板的摩擦方式進(jìn)行測試。采用不同載荷下，轉(zhuǎn)速為200r/min，滑動(dòng)距離為500m的條件下測試了不同填充量下的復(fù)合材料的摩擦系數(shù)和磨損率。

磨損后的材料樣品通過掃描電子顯微鏡(SEM)觀察其表面形貌，分析納米Al2O3填充物對(duì)樣品的微觀結(jié)構(gòu)和表面性質(zhì)的影響。

ResultsandDiscussion

復(fù)合材料的摩擦磨損性能：

隨著納米Al2O3填充量的增加，復(fù)合材料的摩擦系數(shù)和磨損率均呈現(xiàn)出下降的趨勢。在填充量為3%時(shí)，復(fù)合材料的摩擦系數(shù)最低，磨損率也得到了有效地控制。當(dāng)填充量繼續(xù)增加時(shí)，復(fù)合材料的摩擦系數(shù)和磨損率出現(xiàn)了上升的趨勢，原因可能是填充量過多導(dǎo)致材料的斷裂和開裂現(xiàn)象出現(xiàn)。

填充納米Al2O3對(duì)UHMWPE復(fù)合材料性能的影響：

填充納米Al2O3可以有效地填充UHMWPE中的微孔和缺陷，增強(qiáng)了材料的硬度和耐磨性。同時(shí)，填充Al2O3可以改善復(fù)合材料的摩擦性能，使其具有更低的摩擦系數(shù)和更小的磨損率。

磨損后的樣品表面形貌：

通過SEM觀察磨損后的樣品表面，可以發(fā)現(xiàn)隨著填充量的增加，納米Al2O3填充物可以有效地填充UHMWPE中的孔隙和缺陷，形成了更加致密的磨損表面，并且填充量為3%時(shí)樣品表現(xiàn)出了最好的磨損性能。

結(jié)論

本研究結(jié)果表明，采用納米Al2O3填充UHMWPE制成的復(fù)合材料具有較好的摩擦性能和磨損性能。隨著Al2O3填充量的增加，材料的摩擦系數(shù)和磨損率均呈下降趨勢。填充Al2O3可以有效地填充UHMWPE中的微孔和缺陷，改善UHMWPE的力學(xué)性能和耐磨性能，具有廣闊的應(yīng)用潛力。

Abstract:

Thispapermainlystudiesthefrictionandwearperformanceofultra-highmolecularweightpolyethylene(UHMWPE)anditsnanoAl2O3-filledcompositematerials.Thesamplesweretestedbyafrictiontesterandaweartester,andthesurfacemorphologyofthematerialsafterwearwasobservedbyscanningelectronmicroscopy.ThestudyfoundthatwiththeincreaseofnanoAl2O3fillingamount,thefrictioncoefficientandwearrateofthecompositematerialshowedadownwardtrend,andthebestperformancewasobservedwhenthefillingamountwas3%.Atthesametime,thenanoAl2O3fillercaneffectivelyfillthemicroporesanddefectsinUHMWPE,enhancingthehardnessandwearresistanceofthematerial.

Keywords:Ultra-highmolecularweightpolyethylene;nanoAl2O3filling;compositematerial;frictionandwearperformance.進(jìn)一步分析研究發(fā)現(xiàn)，納米Al2O3填充物可以增加UHMWPE復(fù)合材料的硬度和剛度，通過填充缺陷和微孔，有效地提高材料的抗沖擊性和耐久性。此外，納米Al2O3的添加還可以提高材料的熱穩(wěn)定性和耐老化性能。因此，填充納米Al2O3的UHMWPE復(fù)合材料在制造摩擦部件和機(jī)械零件方面具有廣泛的應(yīng)用前景。

在納米Al2O3填充量過高時(shí)，由于填充物過多可能會(huì)導(dǎo)致復(fù)合材料的裂紋和開裂現(xiàn)象，進(jìn)而降低其力學(xué)性能和耐久性能。因此，在制備復(fù)合材料時(shí)應(yīng)避免過高的填充量，同時(shí)考慮維持材料的力學(xué)性能和其他性能指標(biāo)。

未來的研究可以進(jìn)一步研究不同形式的納米填料對(duì)UHMWPE復(fù)合材料的性能影響，并結(jié)合現(xiàn)代材料表征技術(shù)如動(dòng)態(tài)力學(xué)分析和核磁共振等技術(shù)，深入研究納米填料與基質(zhì)之間的相互作用和微觀結(jié)構(gòu)。此外，將納米填料摻雜到UHMWPE中還可以改善其摩擦和磨損性能。以納米鋁粉為例，通過摻雜納米鋁粉可以有效減少UHMWPE材料在摩擦過程中的摩擦系數(shù)和磨損率，使其表現(xiàn)出更好的抗磨性能。同時(shí)，納米填料的添加也有助于降低UHMWPE材料在摩擦過程中的表面溫度，從而減少摩擦引起的痕跡和其它變形。

納米填料的填充也可以提高UHMWPE的導(dǎo)熱性能。實(shí)驗(yàn)表明，填充25wt%的納米氧化鋁可以將UHMWPE的導(dǎo)熱系數(shù)提高到純UHMWPE的10倍左右，這對(duì)于一些需要進(jìn)行熱能傳遞的應(yīng)用領(lǐng)域具有重要意義。

納米填料的添加不僅可以改善UHMWPE的性能，還可以降低制備成本、提高生產(chǎn)效率。因此，填充納米填料的UHMWPE復(fù)合材料在汽車零部件、液壓密封、工程塑料等領(lǐng)域的應(yīng)用，具有廣泛的應(yīng)用前景。

總之，納米填料的添加對(duì)UHMWPE的性能有著顯著的影響。未來的研究可以進(jìn)一步研究不同形式的納米填料如碳納米管、納米石墨等對(duì)UHMWPE的性能影響，并將其應(yīng)用于更多領(lǐng)域中，以達(dá)到更好的效果。在使用納米填料強(qiáng)化UHMWPE復(fù)合材料時(shí)，也需要注意一些問題。例如，納米填料的質(zhì)量和表面處理水平需要控制到一定的范圍內(nèi)，否則可能對(duì)使用效果產(chǎn)生不良影響。此外，填充量的選擇需要仔細(xì)平衡，過多的填充量可能會(huì)降低UHMWPE復(fù)合材料的機(jī)械性能，過少的填充量又可能沒有有效的強(qiáng)化效果。

在使用納米填料強(qiáng)化UHMWPE復(fù)合材料時(shí)，還需注意納米填料與UHMWPE基體之間的協(xié)同作用。特別是在填充量較高時(shí)，UHMWPE基體和納米填料之間可能存在化學(xué)和物理交互作用，這可能會(huì)影響其中一個(gè)或兩者的性能。因此需要對(duì)材料的制備和表征技術(shù)進(jìn)行充分的研究和了解，以便設(shè)計(jì)和開發(fā)出能夠在實(shí)際應(yīng)用中表現(xiàn)出良好性能的UHMWPE復(fù)合材料。

總之，納米填料的添加對(duì)UHMWPE復(fù)合材料的性能提升有著顯著的影響。UHMWPE復(fù)合材料在汽車、航空、機(jī)械等領(lǐng)域的應(yīng)用也將會(huì)不斷擴(kuò)大。未來，通過不斷深入地研究，我們可以不斷優(yōu)化UHMWPE復(fù)合材料的性能，并進(jìn)一步拓展其應(yīng)用領(lǐng)域。此外，納米填料的添加還可以為UHMWPE復(fù)合材料增強(qiáng)其他性能方面。例如，添加納米填料后的UHMWPE復(fù)合材料具有更優(yōu)異的磨損和耐腐蝕性能，這使得它可以被廣泛應(yīng)用于制造從航空航天設(shè)備到醫(yī)療器械等領(lǐng)域的高耐久性和高質(zhì)量產(chǎn)品。

此外，通過選擇適當(dāng)?shù)募{米材料，還可以調(diào)節(jié)UHMWPE復(fù)合材料的熱性能和電性