納米鋅填充超高分子量聚乙烯復合材料微動摩擦磨損性能*

辛小翠,2 王云霞 王夢嬌,2 閻逢元

(1.中國科學院蘭州化學物理研究所,固體潤滑國家重點實驗室 甘肅蘭州 730000；2.中國科學院大學 北京 100049)

微動是相互接觸表面間發生極小振幅的往復運動，通常存在于類似“靜止”的機械配合件之中，其位移幅值一般在微米量級[1]。微動引起的機械零部件表面破壞，或引起的裂紋萌生與擴展都可引起整個運動系統的失效。聚合物及其復合材料具有抗咬合、摩擦因數低、耐磨性好等特性，在實際中被用作各類摩擦副，目前已引起研究者的廣泛關注[2-6]。

超高分子量聚乙烯(UHMWPE)是一種性能優異的材料，其摩擦因數低，在各個領域都有廣泛應用。然而，UHMWPE硬度低、抗蠕變性能差，使材料表現出高的磨損率。為進一步提高其耐磨性，國內外學者采用不同類型填料對UHMWPE復合材料進行了填充改性研究[7-10]。納米粒子粒徑小、比表面積大，常表現出特殊的性質，基于納米顆粒填充UHMWPE復合材料的摩擦學研究是目前研究的一個熱點，對此已有大量報道[11-15]。然而這些研究主要集中在納米粒子/UHMWPE復合材料的滑動摩擦磨損方面，對納米顆粒填充UHMWPE復合材料微動摩擦磨損性能的系統研究鮮有報道。本文作者以納米Zn為填料，系統研究了填料含量對Zn/UHMWPE復合材料微動摩擦磨損行為的影響，并探討了其磨損機制。

1 試驗部分

1.1 試驗材料及制備

UHMWPE基體為 GUR4120粉末，其相對分子質量約為5×106g/mol，平均粒徑為120 μm，密度為0.93 g/cm3。納米鋅顆粒平均粒徑為336 nm。

先將UHMWPE 粉末在80 ℃下烘干4 h除去水分后，然后稱取一定量的UHMWPE，按質量分數0.5%、1%、1.5%、2%的比例分別加入納米Zn，經機械共混法混合均勻后，在200 ℃、10 MPa條件下熱燒結成φ25 mm×8 mm樣品。此外，還制備了未添加納米Zn的純UHMWPE樣品，進行對比試驗。

1.2 摩擦試驗及表征

微動摩擦試驗在微動摩擦試驗機(SRV-IV,德國Optimol公司生產)上進行。上試樣是φ10 mm的GCr15鋼球，下試樣為φ25 mm×8 mm的純UHMWPE試樣及Zn/UHMWPE復合材料試樣。試驗在室溫下進行，載荷為10 N，頻率為100 Hz，振幅為50 μm，時間為60 min。每組試驗重復3次取平均值。磨損率K由以下公式計算得出：

K=ΔVFNL

(1)

式中：ΔV為磨損體積(mm3)；FN為載荷(N)；L為總行程(m)。

磨損體積由MicroXAM-800掃描三維輪廓儀測得； 采用JSM-6701場發射掃描電子顯微鏡觀測UHMWPE復合材料的斷面；采用JSM-5600LV掃描電子顯微鏡觀察樣品和對偶鋼球磨損表面形貌。

2 結果與討論

2.1 摩擦因數與磨損率

Zn/UHMWPE復合材料的摩擦因數和磨損率曲線如圖1所示。由圖1(a)可知，不同含量Zn/UHMWPE復合材料的摩擦因數曲線隨時間的變化趨勢基本一致，表現為：在摩擦初始階段，摩擦因數迅速升高，約300 s后摩擦因數達到穩定值。納米Zn填料對復合材料的摩擦因數具有顯著影響，其可以有效降低UHMWPE復合材料的微動摩擦因數。純UHMWPE具有最高的摩擦因數，其值約為0.45，而Zn/UHMWPE復合材料的摩擦因數均低于純UHMWPE的摩擦因數，且隨著納米Zn填料含量的增加，復合材料的摩擦因數先降低后升高，當Zn填料的質量分數為1%時，復合材料具有最低的摩擦因數。

磨損率曲線圖1(b)顯示，與純UHMWPE相比較，添加納米Zn顆粒后復合材料的磨損率均有不同程度的降低。納米Zn質量分數小于1%時，復合材料的磨損率隨納米Zn質量分數的增加而下降，當納米Zn顆粒質量分數為1%時，Zn/UHMWPE復合材料的磨損率達到最低值；繼續增加填料含量，復合材料的磨損率反而升高，但均低于純UHMWPE的磨損率。由此可知，添加金屬納米鋅顆粒可以提高Zn/UHMWPE復合材料的耐微動磨損性能。研究顯示納米填料可以優先承擔部分載荷，從而降低了聚合物的磨損；另外，摩擦過程中納米填料能在表面產生富集，產生“滾珠”效應，起到自潤滑的作用，從而降低摩擦因數[16-17]。

圖1 UHMWPE及Zn/UHMWPE復合材料摩擦因數和磨損率曲線

2.2 磨損表面的形貌表征

為闡明納米Zn對Zn/UHMWPE復合材料摩擦磨損性能的影響機制，對復合材料磨損表面進行表征。圖2所示為UHMWPE及其復合材料磨損表面的三維形貌和SEM圖。由三維形貌圖可知：純UHMWPE試樣磨損表面粗糙，加入納米Zn后，復合材料試樣磨損表面光滑，這說明添加納米Zn有利于降低復合材料磨損表面的粗糙度；純UHMWPE試樣磨損表面有明顯的磨屑堆積，而Zn/UHMWPE試樣磨損區域沒有明顯的磨屑堆積，說明加入納米Zn后復合材料的磨損減弱。

圖2 UHMWPE及Zn/UHMWPE復合材料磨損表面的3D形貌和SEM圖像

從SEM圖可知：純UHMWPE試樣磨損表面存在大量的塑性變形，磨損嚴重，而加入填料后，復合材料試樣磨損表面塑性變形減弱，這是由于UHMWPE的耐熱性低、導熱性差，熔點較低，摩擦過程中產生的熱量使得材料表面出現瞬間高溫[18]，使UHMWPE發生嚴重塑性變形，而納米Zn具有良好的導熱性，使得摩擦中產生的部分熱量得到了釋放，降低了磨損表面的溫度，塑性變形減弱。當納米Zn顆粒質量分數為1%時，復合材料磨損表面較整潔，磨損輕微；當納米Zn顆粒質量分數增加至2%時，復合材料表面磨損嚴重，這與前面得到的納米Zn顆粒質量分數為1%時，復合材料最有最低的磨損率的結論一致。但與UHMWPE相比，加入納米Zn的復合材料的磨損明顯減輕。Zn/UHMWPE復合材料試樣表面存在不同程度的黏著和平行于摩擦方向的犁溝，磨損機制是黏著磨損和磨粒磨損。

2.3 復合材料的斷面分析

為進一步闡明磨損機制，從內部結構的角度出發，對材料進行斷面分析。由圖3可知，添加質量分數1%和2%納米Zn時，納米顆粒均勻地分散在基體中，說明在試驗條件下納米Zn與超高分子量聚乙烯混合得很均勻。一方面，這些均勻分散的納米顆粒可以充當支點，優先支撐部分載荷；另一方面，由于納米顆粒具有高的比表面能，均勻分散在基體中的納米顆粒可以對UHMWPE分子鏈產生強烈的吸引，阻礙UHMWPE分子鏈在剪切力的作用下被拉出結晶區，這兩方面原因使得添加納米Zn后復合材料的磨損率低于UHWMPE的磨損率。

圖3 Zn/UHMWPE復合材料的FESEM斷面圖

Fig 3 FESEM images of fractured surface of Zn/UHMWPE composites

2.4 對偶鋼球的表征

由于摩擦過程中產生的熱量不能及時釋放，使得聚合物表面軟化，在摩擦副的對磨過程中聚合物轉移到對偶鋼球，形成轉移膜。轉移膜的形成對聚合物的摩擦學有重要影響[2,19]。圖4 所示為 UHMWPE試樣及Zn/UHMWPE復合材料試樣對磨鋼球磨損區域的SEM圖。可知：UHMWPE試樣對偶鋼球表面沒有明顯的轉移膜形成；添加納米Zn后復合材料對偶鋼球表面有轉移膜形成，說明填加納米Zn后促進了轉移膜的形成。質量分數1%的Zn填充UHMWPE復合材料對偶鋼球表面形成了明顯的轉移膜，轉移膜連續而均勻；當納米Zn質量分數增加至2%時，鋼球表面轉移膜較少。這是因為納米Zn硬度大，當增加其含量時，轉移膜上的納米Zn數量同時增加，這些增加的硬質顆粒會破壞轉移膜；此外，添加適量的納米Zn可增加轉移膜與鋼球表面的黏著強度，轉移膜不易脫落，而過量的納米Zn反而會降低轉移膜與鋼球的黏著強度，在剪切力的作用下轉移膜極易剝離。連續轉移膜的形成，避免了摩擦過程中對偶鋼球與聚合物的直接接觸摩擦，從而降低了摩擦因數，減小了材料的損失，因而質量分數1%的Zn填充UHMWPE復合材料具有最低的摩擦因數和最佳的抗磨損性能。

圖4 UHMWPE及Zn/UHMWPE復合材料在鋼球表面的轉移膜

圖5所示為摩擦試驗后復合材料對偶鋼球磨損表面的EDS圖。可知：對偶鋼球表面均存在C元素，這進一步證實摩擦過程中有聚合物轉移到鋼球表面；而O元素的存在是由于摩擦過程中產生的高溫使得聚合物材料被氧化。2%Zn/UHMWPE試樣對偶鋼球表面的C元素含量少，說明該聚合物轉移較少；1%Zn/UHMWPE試樣對偶鋼球表面的C元素含量較高，說明該聚合物更易轉移到鋼球，且轉移膜與鋼球結合牢固，摩擦過程中不易脫落，因此改善了復合材料的耐磨損性能。

圖5 Zn/UHMWPE復合材料對偶鋼球磨損表面的EDS圖

3 結論

(1)隨著納米Zn含量的增加復合材料的摩擦因數和磨損率均表現為先降低后升高，當納米Zn質量分數為1%時，復合材料具有最低的摩擦因數和磨損率。

(2)微動摩擦磨損后，UHMWPE表面有嚴重的塑性變形，添加納米Zn后，材料表面塑性變形減弱，這是因為納米Zn有良好的導熱性，減少了摩擦過程中的熱量集聚。Zn/UHMWPE復合材料的磨損機制主要為黏著磨損和磨粒磨損，1%Zn/UHMEPE復合材料表面磨損輕微，繼續增加納米Zn含量，復合材料磨損加劇。

(3)微動摩擦磨損后，UHMWPE對偶鋼球表面沒有明顯的轉移膜，因此表現出高的摩擦因數和磨損率； 1%Zn/UHMWPE復合材料在對偶鋼球表面形成連續的轉移膜，從而降低材料的摩擦因數和磨損率；2%Zn/UHMWPE對偶鋼球轉移膜較少，使得材料摩擦因數和磨損率反而升高。