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摩擦学知识库

两种聚合物的氙灯老化结果及其对摩擦学性能的影响

武汉材料保护研究所 段海涛

 1.  氙灯老化试验与摩擦学试验

老化试验条件:材料为UHMWPE和POM,氙灯老化试验在CLM-SN-900型水冷氙灯老化试验机上完成(图1)。将UHMWPE和POM试样置于老化试验机的试验腔内,调节试验腔内温度为38℃,黑板温度为55℃,相对湿度为55%,辐照度为45mW/cm2,喷淋周期为两小时一次,喷淋时间2min/次(按照ISO11341执行)。

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图1 CLM-SN-900型水冷氙灯老化试验箱        图2环块式摩擦磨损试验机

摩擦学性能试验采用环块式摩擦磨损试验机,旋转运动模式,以盘和块作为摩擦元件。转速范围为100~2000r/min,环/块相对滑动线速度0.13m/s~5.2m/s,载荷加载通过重力加载系统实现,10~100N载荷连续可调,加载误差小于1.5%。通过动态扭矩转速传感器测定摩擦力矩,通过磨损三维形貌测定磨损量。

2.  氙灯老化后聚合物表面变化

试验结果:对比UHMWPE和POM在经历氙灯光老化后表面微观图可以看出(图3、图4、图5),POM老化500h后基体表面出现龟裂,老化时间增至800h时,表面裂纹宽度增大。而UHMWPE老化500h后表面无明显老化,基体基本没有出现裂纹,在800h后UHMWPE出现少量裂纹。因此,UHMWPE比POM具有更优越的抗氙灯老化性能。

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图3 未老化原试样UHMWPE和POM的基体表面SEM形貌

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图4 老化500h后UHMWPE和POM的基体表面SEM形貌

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图5 老化800h后UHMWPE和POM的基体表面SEM形貌

对比UHMWPE在老化前后微观结构图可以看出(图6),UHMWPE老化前以晶体与非晶结构相互缠绕结构为主,老化800h后材料以非晶结构为主。

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图6 未老化与老化800h后UHMWPE材料结构变化对比

对比POM在老化前后微观结构图可以看出(图7),POM老化前以晶体为主,老化800h后材料以非晶结构为主,并有少量晶体结构存在。

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图7 未老化与老化800h后POM材料结构变化对比

3. 工程塑料氙灯老化行为对其摩擦学性能的影响

UHMWPE和POM在不同氙灯老化时间下的摩擦系数的变化如图8所示。从图中可以看出,从图中可以看出,UHMWPE/GGr15和POM/GGr15摩擦副的摩擦系数都随着老化时间的增加而增大。但是,当UHMWPE老化时间低于200h时,老化时间对摩擦系数基本无影响。当两种材料老化至800h后,由于材料表面老化严重,表层变软。在摩擦过程中,老化层部分脱落,形成粉体磨屑,球与平面的接触面积不断增大,进而导致老化800h后这两种材料的摩擦系数急剧增加,并且产生较大波动。

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图8不同老化时间下两种材料的摩擦系数的变化

白光共焦三维轮廓仪测试UHMWPE和POM磨损表面的磨损宽度和深度如图9所示。可以看出,随着老化时间的增加,UHMWPE和POM的磨损宽度和磨损深度都随之增大。当老化时间增至800h后,两种材料的磨损量急剧增大。老化200h以内,POM的磨损宽度和磨损深度比UHMWPE的小,而当老化时间增至500h后,POM的磨损宽度和磨损深度超过UHMWPE。

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图9 不同老化时间下两种材料的磨损量对比(a)磨损宽度;(b)磨损深度

     不同老化时间下UHMWPE磨损表面的SEM形貌如图10所示。可以看出,随着老化时间的增加,UHMWPE材料表面磨损产生变化。未老化UHMWPE原始试样磨损后表面发生塑形变形,并有少许材料撕裂;老化200h后,磨痕区塑性变形比较严重,并出现少量裂纹;材料老化500h后,磨损表面存在一些凹坑,为粘着磨损所致;当老化时间增至800h后,UHMWPE表面老化层材料剥落明显。磨损机理主要为塑性变形和粘着磨损。

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图10 不同老化时间下UHMWPE磨损表面的SEM形貌对比

    不同老化时间下POM磨损表面的SEM形貌如图11所示。可以看出,对于未老化的POM原始试样,在磨损过程中表面主要发生塑性变形;而老化200h后,磨损表面出现少许材料剥落,磨损表面存在少量凹坑;500h后,POM表层材料剥落明显增加,磨损表面出现大量的粘附材料;800h后,POM材料磨损表面凹坑继续增加,在凹坑的边缘处,剥落现象更为严重。磨损机制主要为粘着磨损和剥落。

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图11不同老化时间下POM磨损表面的SEM形貌对比

  
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