周新聰, 鐘 達(dá), 黃 健*, 楊超振, 劉學(xué)申, 刑少鵬, 汪 鵬

(1.武漢理工大學(xué) 高性能艦船技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 湖北 武漢 430063;2.武漢理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院, 湖北 武漢 430063)

水潤滑軸承采用水作為潤滑介質(zhì),具有環(huán)境友好和資源節(jié)約的特點(diǎn)，符合“綠色船舶”的發(fā)展方向，具有很好的應(yīng)用前景，現(xiàn)階段已被廣泛應(yīng)用于許多場(chǎng)合，包括潛水泵、水力發(fā)電機(jī)和船舶尾軸承等[1].由于在相同外部條件下，水的黏度比潤滑油低，在低速重載等嚴(yán)苛工況下，軸承與軸系之間難以形成完整的水膜，水潤滑軸承通常處于混合潤滑甚至邊界潤滑狀態(tài)[2]，從而導(dǎo)致軸承承載能力下降且磨損嚴(yán)重.因此，研制開發(fā)自潤滑性能優(yōu)良的耐磨材料成為了當(dāng)下水潤滑軸承材料的研究熱點(diǎn)[3-4].

超高分子量聚乙烯(UHMWPE)是一種平均分子量超過150萬的多功能聚合物材料，具有優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性、抗沖擊和自潤滑性能[5].但是，UHMWPE材料較低的表面硬度以及較低的耐磨性等問題制約了其在水潤滑軸承領(lǐng)域的應(yīng)用.為解決這一問題，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的研究，Tong等[6]研究了硅灰石纖維含量對(duì)UHMWPE基體材料摩擦學(xué)性能的影響，結(jié)果表明填充質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的硅灰石纖維時(shí)，復(fù)合材料的耐磨性最優(yōu)，但由于其自身細(xì)針狀結(jié)構(gòu)導(dǎo)致材料的承載能力下降，摩擦系數(shù)隨填料含量的增加而增大.王家序等[7]以UHMWPE為基體材料、石墨和碳纖維為填料制備了水潤滑軸承復(fù)合材料并探究了其摩擦學(xué)性能，結(jié)果表明填料的加入能顯著減小UHMWPE的摩擦系數(shù)，碳纖維優(yōu)良的抗磨作用和極高的強(qiáng)度使得復(fù)合材料的耐磨性與承載能力得到明顯提升.不同的材料因其自身結(jié)構(gòu)及性能的差異，能賦予UHMWPE基體不同的增強(qiáng)效果.

凹凸棒土(ATP)是一種天然礦物材料，具備較高模量及熱穩(wěn)定性[8]，其基本結(jié)構(gòu)單元呈層鏈狀結(jié)構(gòu)，由兩層硅氧四面體夾雜著1層八面體層連接而成，晶體呈棒狀或纖維狀[9].此外，因硅氧四面體頂點(diǎn)氧原子的指向不一，致使ATP內(nèi)部存在大量的中孔結(jié)構(gòu)[10]，賦予ATP巨大的比表面積.ATP獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和材料性能在工程制造領(lǐng)域引起了廣泛關(guān)注[11-12]，Sun等[13]制備了ATP和聚四氟乙烯織物復(fù)合材料，研究了ATP含量對(duì)復(fù)合材料拉伸性能的影響，結(jié)果表明處理后的ATP納米棒表面能較高，提高了與纖維基體之間的附著力，織物復(fù)合材料的拉伸性能也有所提高，但由于填料有很強(qiáng)的結(jié)塊傾向，當(dāng)填料超過16%臨界含量時(shí)，材料拉伸性能降低.Wang等[14]研究了聚丙烯/ATP納米復(fù)合材料的力學(xué)性能，結(jié)果表明ATP分散在聚丙烯中起到了成核作用，其力學(xué)性能及儲(chǔ)能模量得到了提高.ATP粒子在復(fù)合材料中的分散程度是ATP/聚合物復(fù)合材料性能的主要因素，通常采用化學(xué)改性或物理共混的方式提高其在基體中的分散性.張博等[15]利用球磨法，借助有機(jī)酸將較大長徑比的ATP轉(zhuǎn)變?yōu)閬單⒚最w粒并將其添加到潤滑油中，用以考察材料的耐磨性能，研究表明ATP能增強(qiáng)潤滑油效果，并在對(duì)摩面形成自修復(fù)層，改善摩擦表面.Lai 等[16]將ATP改性處理后填充進(jìn)聚四氟乙烯以研究其摩擦學(xué)性能，結(jié)果表明改性后的ATP 可促進(jìn)摩擦對(duì)偶表面轉(zhuǎn)移膜的形成，減少摩擦對(duì)偶間的接觸，提升材料的耐磨性.

ATP用作增強(qiáng)相能夠提升復(fù)合材料的的力學(xué)性能及摩擦學(xué)性能，但是當(dāng)前該領(lǐng)域的研究還處于起步階段，填充ATP對(duì)聚合物復(fù)合材料摩擦學(xué)性能的影響作用規(guī)律缺乏系統(tǒng)的研究[17].隨著船舶大型化的發(fā)展，愈發(fā)嚴(yán)苛的工況對(duì)水潤滑軸承的性能提出了更高的要求.UHMWPE作為一種高性能聚合物材料，在船舶制造領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用.本文中利用硅烷偶聯(lián)劑對(duì)ATP進(jìn)行表面化學(xué)包覆改性，采用UHMWPE為基體、不同含量的改性ATP為填料制備出多種復(fù)合材料，并研究復(fù)合材料在水潤滑條件下的摩擦學(xué)性能，為水潤滑軸承復(fù)合材料的設(shè)計(jì)及應(yīng)用提供了理論支撐和試驗(yàn)依據(jù).

1 試驗(yàn)部分

1.1 原材料

UHMWPE粉末(GUR 4 050-3，平均分子量為8×106g/mol，密度為0.93 g/cm3)由美國塞拉尼斯公司生產(chǎn).ATP粉末(平均直徑約50 nm，長度約900 nm，密度為1.6 g/cm3)由浙江豐虹新材料股份有限公司生產(chǎn).γ-基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷(KH570，分析純)與無水乙醇均由上海阿拉丁生化科技股份有限公司生產(chǎn).

1.2 試樣的制備

1.2.1 改性ATP的制備

圖1所示為改性ATP的制備流程圖，KH570的甲氧基在酸性條件下水解生成的羥基，與ATP表面的羥基發(fā)生縮合反應(yīng)，將基團(tuán)接枝到ATP的表面，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)ATP的表面改性，改性后，KH570同ATP表面反應(yīng)并形成穩(wěn)定的共價(jià)鍵連接，使ATP粒子的團(tuán)聚性降低.利用Therno Nicolet-Nexus型傅里葉變換紅外光譜儀(FTIR)和D/MAX-RB型X射線衍射儀(XRD)檢測(cè)改性前后的ATP粉體與改性基團(tuán)成鍵狀況，分析硅烷偶聯(lián)劑對(duì)ATP的改性效果.

Fig.1 Preparation process of modified ATP圖1 改性ATP的制備流程

1.2.2 復(fù)合材料的制備

為了比較改性ATP填充含量對(duì)UHMWPE基體的改性效果，分別制備了五種ATP填充UHMWPE的復(fù)合材料，表1列出了五種復(fù)合材料的成分.依據(jù)表1中的配方，使用高速攪拌機(jī)將改性ATP以機(jī)械共混的方式填充到UHMWPE基體中，制備含有1%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))未改性ATP(N1)、1%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))改性ATP(M1)、3%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))改性ATP(M3)和5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))改性ATP(M5)的四種共混粉料，并設(shè)置純UHMWPE材料(N0)作為對(duì)照組.設(shè)置高速攪拌機(jī)轉(zhuǎn)速為200 r/min，運(yùn)行時(shí)間為30 s，重復(fù)運(yùn)行3次.共混完畢后的材料使用XLB-D型平板硫化機(jī)進(jìn)行模壓成型，成型溫度為180 ℃，成型壓力為18 MPa，制備的試樣尺寸為15 mm×10 mm×6 mm，如圖2(a)所示.

表1 不同復(fù)合材料的成分Table 1 Components of different composites

使用TA-DSC2500型差示掃描量熱儀(DSC)測(cè)試復(fù)合材料的熔融和結(jié)晶行為，消除材料熱歷史后將其升溫至150 ℃，加熱速率為10 ℃/min.材料硬度使用D型硬度計(jì)按照《GB/T 2 411-2016塑料和硬橡膠 使用硬度計(jì)測(cè)定壓痕硬度(邵氏硬度)》標(biāo)準(zhǔn)測(cè)定，在材料上選取5個(gè)點(diǎn)測(cè)量并取其平均值；拉伸試驗(yàn)按照《GB/T 1 040.2-2018塑料 拉伸性能的測(cè)定》標(biāo)準(zhǔn)在Instron 5 967型電子萬能材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行測(cè)試，拉伸速率為1 mm/min.

Fig.2 The schematic diagram of Rtec multi-function friction and wear test machine圖2 Rtec多功能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)示意圖

1.3 摩擦磨損試驗(yàn)

摩擦磨損試驗(yàn)在Rtec MFT-5000型多功能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)的環(huán)塊模式下進(jìn)行，試驗(yàn)的工作原理如圖2(b)所示，采用的錫青銅環(huán)尺寸如圖2(a)所示.試驗(yàn)過程中利用傳感器采集施加載荷(Fz)及摩擦力(Fx)，通過系統(tǒng)軟件將其采集頻率設(shè)定為100 Hz并計(jì)算實(shí)時(shí)的摩擦系數(shù).摩擦磨損試驗(yàn)的潤滑介質(zhì)為蒸餾水，利用循環(huán)水泵將水的溫度設(shè)定為恒定25 ℃，在試驗(yàn)過程中保證錫青銅環(huán)和試樣的摩擦表面均完全浸沒在蒸餾水中以模擬水潤滑工況.

為了保證試塊與銅環(huán)接觸面配合良好，在試驗(yàn)開始前對(duì)每種材料進(jìn)行30 min的預(yù)磨，設(shè)置該過程載荷為25 N，電機(jī)轉(zhuǎn)速為300 r/min，銅環(huán)的等效直徑為35 mm，則主機(jī)轉(zhuǎn)速換算成線速度即為0.22 m/s.預(yù)磨結(jié)束后進(jìn)行摩擦磨損試驗(yàn)，摩擦試驗(yàn)參數(shù)列于表2中，同一載荷下，每個(gè)工況運(yùn)行3 min；磨損試驗(yàn)的載荷設(shè)置為55 N，轉(zhuǎn)速設(shè)置為0.55 m/s，試驗(yàn)時(shí)間設(shè)置為8 h.相同工況下的摩擦磨損試驗(yàn)要重復(fù)2次，以保證可重復(fù)性.

表2 摩擦試驗(yàn)方案Table 2 Friction test scheme

試驗(yàn)結(jié)束后，利用Keyence LJ-X8000型表面輪廓儀測(cè)量試樣磨損體積，并通過式(1)計(jì)算試樣的體積磨損率，同時(shí)觀察復(fù)合材料表面輪廓.使用Leica ST-5/8型激光共聚焦顯微鏡對(duì)試樣表面形貌進(jìn)行觀測(cè).

式中：ws是體積磨損率[10-5mm3/(N·m)]；ΔV為磨損試驗(yàn)前后體積變化(mm3)；∑w為累計(jì)摩擦功(N·m).

2 改性效果分析

2.1 ATP改性分析

圖3為ATP改性前后紅外譜圖，對(duì)比圖3中(a)和(b)兩條譜線發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過改性處理的ATP基本保留了原有的特征峰，均在1 062 cm-1附近出現(xiàn)強(qiáng)的Si-O-Si鍵的不對(duì)稱伸縮振動(dòng)吸收峰[18].600～400 cm-1為ATP次級(jí)不對(duì)稱的強(qiáng)吸收帶，其中分別在539和470 cm-1存在兩個(gè)強(qiáng)吸收峰，為Al-OH鍵與Si-O鍵彎曲振動(dòng)的結(jié)果.3 696和3 619 cm-1處出現(xiàn)-OH和-OH2的伸縮振動(dòng)吸收峰[19].圖3(b)可以看出，表面改性后的ATP在2 956和2 888 cm-1處出現(xiàn)明顯吸收峰，分別對(duì)應(yīng)KH-570中-CH3不對(duì)稱伸縮振動(dòng)峰和-CH2-對(duì)稱伸縮振動(dòng)峰；在1 729 cm-1處出現(xiàn)KH570的C=C雙鍵的吸收峰[20]；改性后的ATP在912 cm-1處羥基的彎曲振動(dòng)相對(duì)減弱，由此推測(cè)KH570發(fā)生水解，與ATP表面進(jìn)一步發(fā)生脫水縮合，形成Si-O-Si結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)接枝.以上表明KH570同ATP表面反應(yīng)并形成了穩(wěn)定的共價(jià)鍵鍵接.

圖4所示為改性前后ATP粉末的XRD圖，由圖4可知，ATP及其改性粉末在2θ為12.30°、20.07°、24.78°和26.56°等處出現(xiàn)了明顯的特征衍射峰，其對(duì)應(yīng)的衍射面分別為(001)、(121)、(221)和(002)[21].這說明改性后的ATP保持了原始ATP的晶相組成，其晶體結(jié)構(gòu)并未發(fā)生明顯變化.改性后ATP在衍射角為12.30°處峰形較對(duì)稱，該位置屬于ATP基礎(chǔ)框架結(jié)構(gòu)間距的特征吸收峰，與未改性ATP中(001)處的衍射峰相同，但是強(qiáng)度弱于未改性ATP，說明ATP表面硅氧四面體鏈?zhǔn)芘悸?lián)劑的影響，其表面羥基在改性過程中與KH570發(fā)生縮合反應(yīng)，形成Si-O-Si衍射峰[22]，該測(cè)試結(jié)果與紅外光譜結(jié)果一致.

Fig.3 Infrared spectra of ATP and its modified materials:(a) ATP; (b) KH570 modified ATP; (c) KH570圖3 ATP及其改性材料的紅外譜圖：(a) ATP；(b) KH570改性ATP；(c) KH570

Fig.4 XRD pattern of ATP and its modified materials:(a) ATP; (b) KH570 modified ATP圖4 ATP及其改性材料的XRD圖譜：(a) ATP；(b) KH570改性ATP

2.2 DSC測(cè)試分析

熔融結(jié)晶行為是影響復(fù)合材料性能的重要指標(biāo)，UHMWPE及其復(fù)合材料的DSC數(shù)據(jù)結(jié)果列于表3中.ATP的加入及其含量的增加并沒有明顯改變UHMWPE的結(jié)晶溫度(Tc)，這說明ATP的加入并沒有改變UHMWPE正交晶系的晶型，但改性后使得聚合物材料分子鏈與ATP的相互作用加強(qiáng)，在結(jié)晶過程中能起到一定異相成核作用，促進(jìn)聚合物材料結(jié)晶，所以結(jié)晶峰呈向高溫方向遷移的趨勢(shì)[23].從表3中發(fā)現(xiàn)，ATP的添加量對(duì)UHMWPE的熔融行為有很大影響，添加1%改性ATP可以提高復(fù)合材料的熔融溫度(Tm)和結(jié)晶度(χc).當(dāng)改性ATP質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于1%時(shí)，隨著填料含量的增加，復(fù)合材料的熔融焓值(ΔHm)和結(jié)晶度(χc)均呈下降趨勢(shì).結(jié)果表明，在較低的填充量下，改性ATP的存在有利于UHMWPE的晶體生長和完善；隨著改性ATP含量的增加，熔融峰的位置出現(xiàn)了向低溫方向移動(dòng)的趨勢(shì).這是由于改性后的ATP與UHMWPE大分子鏈間的范德華力得到增強(qiáng)，使得聚合物分子鏈的運(yùn)動(dòng)受到約束，同時(shí)填料含量的增加將導(dǎo)致團(tuán)聚體的出現(xiàn)，填料的聚集抑制了UHMWPE的晶體生長，降低其晶體的完整性.

表3 UHMWPE及其復(fù)合材料的熱性能及結(jié)晶度Table 3 Thermal properties and crystallinity of UHMWPE and its composites

2.3 力學(xué)性能分析

復(fù)合材料制備完成后測(cè)量其相關(guān)力學(xué)性能(見表4)，相較于填充未改性ATP,改性后的ATP將使材料性能得到較大提升，其硬度、拉伸強(qiáng)度及斷裂伸長率均優(yōu)于未改性復(fù)合材料.復(fù)合材料的邵氏硬度隨改性ATP填充含量的增加而提高，但是當(dāng)填充含量較高，改性ATP對(duì)材料的邵氏硬度產(chǎn)生了負(fù)面影響.因?yàn)樘盍虾康脑黾颖砻鲝?fù)合材料中存在更多的填充顆粒，而ATP比表面積大的材料特性使其在制備過程中更難以均勻分散，使得納米粒子產(chǎn)生團(tuán)聚，這導(dǎo)致了表4中填充質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%時(shí)，復(fù)合材料的邵氏硬度較填充質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%和3%時(shí)降低.但相比于純UHMWPE材料，復(fù)合材料的硬度更高，因?yàn)榧{米ATP粒徑較小，且經(jīng)過改性處理后，納米粒子的表面活性中心增多，和UHMWPE分子的結(jié)合性得到提升，致使納米ATP粒子與基體UHMWPE分子的堆積更加密集，有效提高UHMWPE基復(fù)合材料的邵氏硬度.

表4 復(fù)合材料力學(xué)性能Table 4 Mechanical properties of composites

表4中,復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度及斷裂伸長率隨改性ATP填充含量的增加呈下降趨勢(shì).因?yàn)锳TP惰性較強(qiáng)，無法與UHMWPE大分子鏈產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，經(jīng)過硅烷改性后的ATP分散性得到提高，但僅由范德華力與UHMWPE大分子鏈相連，當(dāng)復(fù)合材料處于拉伸或撕扯的工況下，UHMWPE長分子鏈與纖維狀A(yù)TP粒子的結(jié)合面極易在剪切力作用方向上產(chǎn)生滑移.在摩擦對(duì)偶間的相對(duì)位移影響下，UHMWPE與ATP粒子很容易發(fā)生界面脫粘現(xiàn)象，導(dǎo)致復(fù)合材料在持續(xù)應(yīng)力作用下產(chǎn)生裂紋，逐步影響到復(fù)合材料的整體性能.且從表3中可知，材料結(jié)晶度隨填充含量的增加而下降，柔性的UHMWPE分子鏈會(huì)更容易受到填料對(duì)其構(gòu)象變化的限制，這也是導(dǎo)致材料拉伸性能降低的原因之一.

3 結(jié)果與討論

3.1 摩擦系數(shù)分析

圖5為五種試樣在不同載荷下摩擦系數(shù)隨線速度的變化趨勢(shì).在所有工況下，摩擦系數(shù)的變化隨著線速度的提高呈現(xiàn)出先降低后再趨于平穩(wěn)的趨勢(shì)，該趨勢(shì)和斯特里貝克曲線的變化基本一致.在低速工況下時(shí)，潤滑水較難由轉(zhuǎn)軸帶入到摩擦副，潤滑水膜難以形成，即處于邊界潤滑狀態(tài)，此時(shí)的載荷主要由摩擦表面的微凸體承受.由于隨著設(shè)定轉(zhuǎn)速的增加，帶入到摩擦副間的潤滑水量逐漸增多，使得部分接觸面上潤滑水膜形成，材料的摩擦系數(shù)也逐漸下降，此時(shí)的水膜擁有了一定的承載能力，并與微凸體共同承擔(dān)載荷.當(dāng)轉(zhuǎn)速繼續(xù)增大，摩擦副間的水潤滑形式進(jìn)入了流體動(dòng)壓潤滑狀態(tài)，帶入摩擦副間的潤滑水量能夠形成均勻連續(xù)的潤滑水膜，此時(shí)的連續(xù)水膜承受全部的載荷，摩擦系數(shù)也逐漸趨于穩(wěn)定.從圖5中可以看出復(fù)合材料在低轉(zhuǎn)速時(shí)，材料摩擦系數(shù)隨載荷的增加逐漸降低，這與復(fù)合材料表面形變量有關(guān).在低速工況下，載荷主要由摩擦表面的微凸體承受，微凸體在載荷作用下產(chǎn)生形變，導(dǎo)致復(fù)合材料與銅環(huán)表面接觸面積增大，材料表面單位承載減小，摩擦系數(shù)呈下降趨勢(shì).而當(dāng)轉(zhuǎn)速提升后，潤滑水膜逐漸取代微凸體的承載作用，使載荷對(duì)復(fù)合材料摩擦系數(shù)的影響較小.

從圖5中發(fā)現(xiàn)，在相同填充含量下，填充改性ATP復(fù)合材料的摩擦系數(shù)總是優(yōu)于未改性材料，并且改性ATP含量對(duì)摩擦系數(shù)的影響較大，隨著填充含量的增加，材料摩擦系數(shù)呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì).低填充量的M1試樣在不同的試驗(yàn)工況下，摩擦系數(shù)均比N0的摩擦系數(shù)低，且在各工況下摩擦系數(shù)隨轉(zhuǎn)速與載荷的增加而降低，變化更為穩(wěn)定，在低速重載(v=0.55 m/s、Fz=55 N)工況下，M1試樣相對(duì)于純UHMWPE試樣的摩擦系數(shù)減小率為52.45%.從圖5(a)和(b)發(fā)現(xiàn)，M3試樣在低速低載荷的情況下，其摩擦系數(shù)高于N0，但當(dāng)轉(zhuǎn)速提高或載荷增大時(shí)，其摩擦系數(shù)將優(yōu)于同工況下的其他試樣.而M5試樣的摩擦系數(shù)相較于M1和M3明顯增大，且變化波動(dòng)更大.這是因?yàn)樵谳^低的填充含量下，材料發(fā)生磨損后，摩擦表面富積的具有自潤滑作用的ATP粒子起到了固體潤滑劑[17]的作用，隨著線速度的增大，這種潤滑作用增強(qiáng)，因而減小了摩擦系數(shù).但當(dāng)填充質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過3%后，摩擦表面ATP粒子界面脫粘現(xiàn)象增多且復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度降低，導(dǎo)致摩擦表面極易撕裂并產(chǎn)生磨屑，阻礙了部分接觸面上潤滑水膜逐漸形成，摩擦系數(shù)隨之增大.綜合各工況下摩擦系數(shù)，填充改性ATP能夠有效降低復(fù)合材料的摩擦系數(shù)，且當(dāng)填充質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%時(shí)，復(fù)合材料的摩擦系數(shù)較低且更為穩(wěn)定.

3.2 磨損性能分析

五種試樣在設(shè)定工況下(載荷為55 N，轉(zhuǎn)速為0.55 m/s)的體積磨損率如圖6所示，其中試樣M1的體積磨損率最低，相較于同工況下純UHMWPE試樣N0，體積磨損率降低了37.58%.對(duì)比未改性ATP填充質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%時(shí)復(fù)合材料的體積磨損率，填充改性ATP的復(fù)合材料磨損率更低.而當(dāng)改性ATP的填充質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于1%時(shí)，試樣的體積磨損率迅速提高并超過未填充改性ATP的純UHMWPE試樣N0.少量的改性ATP在UHMWPE基體中均勻分散，充分發(fā)揮其高模量與長徑比的特性，在UHMWPE基體中充當(dāng)剛硬支撐點(diǎn)的作用，類似于“物理交聯(lián)[24]”，阻止了磨屑的嵌入和磨削，使得復(fù)合材料耐磨性提高，與表4所列硬度變化結(jié)果一致.但隨著填充含量的增加，ATP顆粒間的結(jié)合能將抑制其在UHMWPE中的分散，導(dǎo)致填料與UHMWPE基體的結(jié)合能力減弱.在銅環(huán)的摩擦剪切過程中，團(tuán)聚體易脫落并在表面形成凹坑，最終嵌入其中并形成犁溝磨損.同時(shí)，當(dāng)摩擦對(duì)偶表面間的剪切力超過材料的拉伸強(qiáng)度時(shí)，UNMWPE大分子鏈斷裂，表面產(chǎn)生磨損，表4顯示復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度隨ATP含量增加逐漸降低，這表明ATP含量越高的復(fù)合材料，其大分子鏈在受力時(shí)更容易斷裂，磨損也更嚴(yán)重.

Fig.6 The volumetric wear rate of UHMWPE and its composites圖6 UHMWPE及其復(fù)合材料的體積磨損率

圖7為試樣磨損表面的3D形態(tài)及其輪廓曲線，復(fù)合材料磨損程度與圖6中體積磨損率的結(jié)果相一致.對(duì)比圖7(a～e)，N0試樣的最大磨損深度約為63.4 um，其表面規(guī)整且線狀劃痕較少.填充1%未改性ATP的N1試樣磨損深度約為55.5 um，填充1%改性ATP的M1試樣磨損深度約為30.9 um，表明ATP改性后提高了復(fù)合材料的耐磨性.隨著填充含量的提高，復(fù)合材料的磨損深度急劇上升，當(dāng)改性ATP填充質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%時(shí)，試樣的最大磨損深度達(dá)到了72.0 um，同時(shí)磨損表面的線狀劃痕也隨著ATP填充含量的提高而逐漸增多.這是因?yàn)樵诔掷m(xù)不斷的剪切力作用下，僅靠UHMWPE大分子鏈間的范德華力難以抑制摩擦面的撕裂.填充少量改性ATP粒子后，均勻分散的ATP粒子與UHMWPE大分子鏈適當(dāng)?shù)慕宦?lián)可使有效鏈數(shù)量增加，摩擦表面撕裂前有效鏈能均勻承載，有效降低材料的磨損.但當(dāng)填充含量提高時(shí)，ATP粒子團(tuán)聚體的出現(xiàn)使得交聯(lián)點(diǎn)減少，不利于鏈段的應(yīng)力傳遞，局部網(wǎng)鏈承載外界作用力，具體表現(xiàn)為復(fù)合材料拉伸性能的降低，材料磨損加劇.磨損表面的輪廓曲線也能夠反映出UHMWPE及其復(fù)合材料的磨損形態(tài)特征，從圖7(f)可以看出，五種復(fù)合材料的摩擦表面都在邊緣區(qū)域表現(xiàn)出較大的不平整狀態(tài)而中間區(qū)域表面則更平滑.這是由于中間區(qū)域?yàn)閺?fù)合材料的高承壓區(qū)，在正向載荷的作用下抑制了團(tuán)聚體的剝落[25].但長時(shí)間的承壓使得磨損主要發(fā)生在高承壓區(qū)域，同時(shí)導(dǎo)致邊緣區(qū)域產(chǎn)生較大變形.因?yàn)椴牧献陨砝鞆?qiáng)度不足，在持續(xù)的剪切力及磨屑作用下，形變量較大的邊緣區(qū)域就會(huì)產(chǎn)生裂縫，形成密集的駝峰與凹谷.

3.3 表面形貌

在磨損試驗(yàn)后，觀察五種材料磨損表面形貌(圖8),從圖8(a)中觀察到其磨損區(qū)域上存在與滑動(dòng)方向不平行的犁削條紋，這主要是由基體材料纖維狀的長分子鏈結(jié)構(gòu)所導(dǎo)致，其在試驗(yàn)過程中由于抗塑性變形能力差，極易被剝離拉出并以絲狀分布于復(fù)合材料的摩擦表面[26]，在長時(shí)間的磨損試驗(yàn)過程中對(duì)復(fù)合材料表面產(chǎn)生刮擦，使材料表面出現(xiàn)了不規(guī)則的條紋.從圖8(b)中發(fā)現(xiàn)，填充ATP后材料表面與滑動(dòng)方向不平行的條紋明顯減少，說明ATP在基體材料中起到了機(jī)械鉚釘[27]的作用，很好地限制了UHMWPE分子鏈的斷裂與脫落，減少了由于UHMWPE拉出而產(chǎn)生的磨屑.對(duì)比圖8(c)、(d)和(e)可以發(fā)現(xiàn)，隨著改性ATP填充含量的增加，與滑動(dòng)方向平行的劃痕逐漸增寬并增多，這些劃痕是由摩擦對(duì)偶間存在磨粒犁削所導(dǎo)致的.當(dāng)填充物質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%時(shí)，基體材料中的ATP大大增加，使得ATP更易產(chǎn)生團(tuán)聚.形成團(tuán)聚體后的ATP難以發(fā)揮其比表面積大與長徑比的材料優(yōu)勢(shì)，使得ATP粒子與UHMWPE大分子鏈間的結(jié)合力迅速降低，其更容易在摩擦過程中從基體中剝落，進(jìn)而被分離并壓碎，隨著摩擦的進(jìn)行不斷地分布在材料摩擦對(duì)偶表面并充當(dāng)磨粒，進(jìn)一步加劇磨損表面劃痕的產(chǎn)生，這也是導(dǎo)致復(fù)合材料體積磨損率隨ATP填充含量增加而出現(xiàn)上升趨勢(shì)的主要原因.

Fig.7 3D morphology of wear zone of five samples: (a) N0; (b) N1; (c) M1; (d) M3; (e) M5; (f) profile curve圖7 五種材料磨損表面的3D形貌圖：(a) N0；(b) N1；(c) M1；(d) M3；(e) M5；(f)輪廓曲線

五種復(fù)合材料的磨損表面形貌相關(guān)參數(shù)見表5所示，其中Sa表示表面粗糙度，Str表示表面形狀的高寬比.N0試樣在磨損過程中犁削條紋主要由被剝離的UHMWPE大分子鏈刮擦產(chǎn)生，所以其表面粗糙度Sa最小.未改性ATP與UHMWPE基體結(jié)合力較差，容易從摩擦表面脫落，這是N1表面粗糙度Sa增大的主要原因.M5試樣表面粗糙度Sa遠(yuǎn)大于其他材料，這因其表面磨粒磨損嚴(yán)重，較多的犁削條紋令其表面凹凸不平.如圖8(c)、(d)和(e)中所示，復(fù)合材料表面劃痕逐漸增寬且增多，其Sa值也出現(xiàn)隨改性ATP含量提高而增大的趨勢(shì).填充過量改性ATP導(dǎo)致復(fù)合材料綜合性能降低，使其在水潤滑條件下的磨損加劇，改性ATP顆粒形成的團(tuán)聚體被擠壓后脫落會(huì)造成Sa的增大.M1試樣中較低的改性ATP填充量使其力學(xué)性能得到提升，減少了不平行條紋的產(chǎn)生，且表面整體劃痕較少、平行度較高，因而具備較小的表面粗糙度Sa及最小的高寬比Str.

表5 表面形貌參數(shù)Table 5 Surface topography parameters

Fig.8 Laser confocal micrograph of wear surface: (a) N0; (b) N1; (c) M1; (d) M3; (e) M5圖8 磨損表形貌的激光共聚焦顯微鏡照片：(a) N0；(b) N1；(c) M1；(d) M3；(e) M5

4 結(jié) 論

本文中通過表面化學(xué)包覆改性法制備由硅烷偶聯(lián)劑KH570改性處理的ATP，并填充到UHMWPE中進(jìn)行共混，采用熱壓法將其制備成不同ATP填充含量的UHMWPE基復(fù)合材料，探究五種復(fù)合材料在水潤滑條件下的摩擦磨損性能.依據(jù)改性分析、力學(xué)性能和摩擦磨損性能，得到以下結(jié)論：

a.偶聯(lián)劑KH570能與ATP反應(yīng)并產(chǎn)生穩(wěn)定的共價(jià)鍵鍵連，且填充低含量的改性ATP可提高復(fù)合材料結(jié)晶度，從而改善材料力學(xué)性能.

b.復(fù)合材料依靠ATP自身優(yōu)良的減摩特性，在摩擦對(duì)偶間充當(dāng)固體潤滑劑，使材料摩擦系數(shù)顯著降低，且經(jīng)表面改性后材料摩擦學(xué)性能得到提升.填充含量對(duì)摩擦系數(shù)的影響較大，在改性ATP低含量時(shí)摩擦系數(shù)最優(yōu).

c.ATP改性UHMWPE復(fù)合材料在水潤滑條件下的磨損過程以磨粒磨損為主，向UHMWPE試樣基體中填充適量的改性ATP能改善復(fù)合材料的磨損情況，當(dāng)ATP填充質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%時(shí)，材料的摩擦學(xué)性能最優(yōu).