凹凸棒石/UHMWPE复合材料的制备及微动摩擦性能研究
文献类型：学位论文
| 作者 | 孟兆洁 |
| 答辩日期 | 2022-05-20 |
| 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 | 超高分子量聚乙烯，微动摩擦，凹凸棒石，聚合物 |
| 学位名称 | 工学博士 |
| 学位专业 | 材料学 |
| 其他题名 | 无 |
| 英文摘要 | 因具有优异的自润滑性、耐磨性和生物相容性，超高分子量聚乙烯（ultra-high molecular weight polyethylene，UHMWPE）被广泛应用于人工关节、润滑轴承、机械设备紧固、连接及密封部件等摩擦工件的制备。受机械设备运行工况的影响，UHMWPE常与金属材料配合发生微动磨损。但UHMWPE存在刚度低、耐热性能差的缺陷，导致其构件易发生咬合、松动、疲劳变形等失效情况，降低工件服役周期、危害设备安全性。因此，为延长UHMWPE工件使用寿命，提高工件服役安全并拓展其微动摩擦学应用，探究其有效改性方法及微动摩擦机理尤为关键。 填料改性是改善UHMWPE摩擦学性能的有效途径之一。其中，凹凸棒石（attapulgite，ATP）作为一种天然棒状纳米硅酸盐材料，比表面积大、热稳定性高，抗菌性能好，可与生物相容性较好的UHMWPE结合用于医用耐磨材料的制备。但由于凹凸棒石在基体中易发生团聚，影响复合材料结构稳定性，因此对凹凸棒石进行功能化改性，并对凹凸棒石及其杂化填料填充UHMWPE复合材料的热学、力学性能及微动摩擦磨损机理的研究对完善UHMWPE微动摩擦学基础实验数据、开发生物友好型抗微动磨损复合材料及改进聚合物抗微动磨损方法具有重要的科学意义及实用价值。 本论文通过调控凹凸棒石基杂化填料结构、形貌以及表面负载方法，研究了凹凸棒石及其杂化填料对UHMWPE复合材料热学、力学及微动摩擦学性能的影响规律。主要研究结果如下： （1）考察了五种硅酸盐材料（凹凸棒石、高岭土、蒙脱土、合成云母和滑石）填充UHMWPE复合材料的微动摩擦磨损性能。结果发现：硅酸盐填料提高了UHMWPE复合材料的耐热性能，并有效承担载荷，改善了复合材料的摩擦磨损性能。不同形貌硅酸盐填料与UHMWPE基体之间的界面结合差异，使得复合材料表现出不同的减摩抗磨效果，其中凹凸棒石/UHMWPE复合材料的性能最佳。 （2）研究了填料含量、微动条件对凹凸棒石/UHMWPE复合材料摩擦磨损行为的影响。结果发现：1 wt%凹凸棒石/UHMWPE复合材料具有最佳的摩擦系数和磨损率，相比纯UHMWPE分别降低29%与42%。凹凸棒石的加入提高了复合材料热稳定性，降低了对偶钢球对基体的黏着作用，促进了对偶面转移膜的生成，使得复合材料在50~125 Hz、100~150 μm范围内保持较好的减摩性能。 （3）采用不同负载手段在凹凸棒石表面原位生长钴镍片层双氢氧化物、二氧化钛纳米颗粒制备凹凸棒石基杂化填料，分别研究了两种杂化填料负载方式、形貌、含量等对UHMWPE复合材料界面结构、热学及微动摩擦学性能的影响规律。实验结果表明：两种杂化材料均明显改善了凹凸棒石填料在基体中的分布均匀性、填料与基体之间的界面结合及复合材料的热学性能；共沉淀法制备的凹凸棒石-片层状钴镍双层氢氧化物（CoNi LDHs）杂化填料提高了复合材料的弹性模量，凹凸棒石表面负载的纳米片结构在摩擦过程中可有效降低复合材料摩擦系数；蒸汽法制备的凹凸棒石-二氧化钛（titanium dioxide，TiO2）纳米颗粒杂化材料在基体中形成网状结构，提高了复合材料的导热系数、尺寸稳定性及微动摩擦性能。 （4）利用聚醚酰亚胺（polyethyleneimine，PEI）长链的桥接作用，将凹凸棒石与高强度碳纤维（carbon fiber, CF）进行接枝制备了一种改性纤维对UHMWPE进行填充改性。结果发现：凹凸棒石与碳纤维两种填料通过聚醚酰亚胺进行复配后，改性纤维表面粗糙度增加，与UHMWPE基体界面间有纤维状树脂晶须存在。填料与基体之间界面结合的增强，使得复合材料储能模量、压缩强度、微动摩擦性能均有不同程度地提高。 |
| 页码 | 169 |
| 源URL | [http://ir.licp.cn/handle/362003/30066]  |
| 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 | 孟兆洁. 凹凸棒石/UHMWPE复合材料的制备及微动摩擦性能研究[D]. 北京. 中国科学院大学. 2022. |
入库方式： OAI收割
来源：兰州化学物理研究所
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