水環(huán)境下納米SiO2增強(qiáng)超高分子量聚乙烯防滑性能的影響研究

朱昭宇,董從林,劉書天,袁成清,吳宇航

(1.武漢理工大學(xué) 交通與物流工程學(xué)院,湖北 武漢,430063;2.武漢理工大學(xué) 船海與能源動力工程學(xué)院,湖北 武漢 430063;3.國家水運(yùn)安全工程技術(shù)研究中心 可靠性工程研究所,湖北 武漢 430063)

船舶在水上航行時會遇到暴雨、大風(fēng)等復(fù)雜且惡劣的運(yùn)行環(huán)境，發(fā)生搖蕩和顛簸等能引起船體發(fā)生傾斜現(xiàn)象，使甲板處于晃動和濕滑狀態(tài)[1-2].此外，由于甲板機(jī)械設(shè)備并非全部固定在甲板之上，甲板在濕滑環(huán)境下較低的防滑能力會使設(shè)備發(fā)生傾斜甚至傾倒，這不但會影響機(jī)械設(shè)備的使用安全，也會危及工作人員的人身安全.目前，船舶甲板表面材料往往為高分子材料，通過對甲板高分子材料進(jìn)行改性，提升防滑性能，這對提高船舶航行的安全系數(shù)，減少人員事故和財產(chǎn)損失具有積極作用[3].防滑材料的主要作用是通過增加摩擦系數(shù)的方式增強(qiáng)摩擦副間的相對摩擦情況，從而達(dá)到増摩防滑的性能[4-5].這種方式的主要機(jī)理之一是在材料微觀表面形成具有一定硬度和耐磨性能的質(zhì)點，使與摩擦配副接觸過程中發(fā)生嚙合磨損的行為，提升摩擦力，增強(qiáng)防滑性能[6-7].鄧琦等[8]研究了一種由改性環(huán)氧底漆、防滑層以及罩面面漆組成的高耐磨防滑涂層體系，在提高甲板防滑性能的同時使其具備優(yōu)異的耐磨損性能，延長了使用周期.周廣青[9]將高硬度的砂子加入甲板涂料中制備了新型的甲板防滑涂層，以此通過增加涂層表面粗糙度的方式增強(qiáng)防滑性能.

納米顆粒與其他聚合物混合制備的復(fù)合材料因表現(xiàn)出優(yōu)異的機(jī)械性能和物理性能，而被廣泛用于船舶甲板材料、涂料和尾軸承之類的摩擦學(xué)領(lǐng)域的研究中[10-12].納米SiO2因具有高比表面積、優(yōu)異的硬度和出色的耐磨性能而作為高分子復(fù)合材料的增強(qiáng)劑[13].Wu等[14]發(fā)現(xiàn)氣相SiO2/環(huán)氧樹脂納米復(fù)合材料的力學(xué)性能和熱穩(wěn)定性相比于純環(huán)氧樹脂得到明顯增強(qiáng)，且增強(qiáng)性能隨著納米SiO2體積分?jǐn)?shù)的提高而愈發(fā)明顯.Fan等[15]使用納米SiO2顆粒、碳纖維(CF)和芳綸纖維(AF)增強(qiáng)聚四氟乙烯(PTFE)復(fù)合材料的耐磨性能，向復(fù)合材料中添加0.3%的納米SiO2顆粒，可使防滑性能大幅增強(qiáng).超高分子量聚乙烯(UHMWPE)因具有優(yōu)異的耐磨性、耐腐蝕性和耐沖擊性，且經(jīng)濟(jì)、來源廣泛，被廣泛應(yīng)用于船舶相關(guān)領(lǐng)域，包括甲板防滑復(fù)合材料和襯墊復(fù)合材料[16-17].然而，超高分子量聚乙烯在水環(huán)境下表現(xiàn)出的較低摩擦系數(shù)使其防滑能力仍然具有較大提升空間.因此，為了提升船舶甲板高分子材料在濕滑環(huán)境下的表面防滑性能，采用具有優(yōu)異力學(xué)性能和優(yōu)異耐磨性能的納米二氧化硅(SiO2)顆粒作為增摩劑來改性超高分子量聚乙烯(UHMWPE)，揭示納米SiO2提升防滑性能的影響機(jī)理以及表現(xiàn)出最佳性能的添加比例.所得結(jié)論果對在濕滑環(huán)境下設(shè)計和制造具有優(yōu)異防滑性能的高分子復(fù)合材料具有重要的意義.

1 試驗部分

1.1 試驗材料

納米SiO2是一種常見的具有高強(qiáng)度、高硬度和優(yōu)異的增摩性能的納米顆粒，因而選擇納米SiO2作為提升UHMWPE増摩性能的改性顆粒.通過設(shè)置含不同體積分?jǐn)?shù)納米SiO2改性的UHMWPE復(fù)合材料，探究納米SiO2顆粒對增強(qiáng)復(fù)合材料防滑性能的機(jī)理及復(fù)合材料表現(xiàn)出最優(yōu)性能的納米SiO2顆粒的添加比例.其中復(fù)合材料總質(zhì)量固定為160 g，UHMWPE的平均粒徑為1 mm，密度為0.92 g/cm3，納米SiO2的平均粒徑為100 nm，密度為2.2 g/cm3，納米SiO2顆粒體積分?jǐn)?shù)由低到高分為6組，體積分?jǐn)?shù)(質(zhì)量)分別為0% (0 g)、0.4% (1.6 g)、1.3% (4.8 g)、2.2% (8.0 g)、3.1% (11.2 g)和4.0% (14.4 g)(表1).制備前使用FA2104N電子天平進(jìn)行各類顆粒稱重并配比，再按照設(shè)計的體積分?jǐn)?shù)將不同顆粒進(jìn)行物理共混.

表1 UHMWPE和納米SiO2顆粒的體積分?jǐn)?shù)變化表Table 1 The volume fraction of UHMWPE and nano-SiO2

納米SiO2改性的UHMWPE復(fù)合材料的制備過程如圖1所示，UHMWPE [圖1(a)]和納米SiO2[圖1(b)]利用密煉機(jī)(QE-70B，武漢啟恩科技發(fā)展有限公司，中國)對基體材料進(jìn)行機(jī)械物理共混和加熱熔融.前期，平行雙螺桿緩慢蠕動使得納米SiO2和UHMWPE顆粒進(jìn)行充分混合；后期，UHMWPE顆粒被熔融，進(jìn)一步在平行雙螺桿的攪拌下與納米SiO2進(jìn)行充分混合，得到充分混合的混料[圖1(c)].密煉機(jī)加熱溫度設(shè)置為220 ℃，工作轉(zhuǎn)速為80 r/min，單次運(yùn)行時間為30 min.利用圖1(d)中注塑機(jī)(M1200，武漢啟恩科技責(zé)任有限公司，中國)將充分共混后的UHMWPE和納米SiO2顆粒制備成易于檢測的規(guī)則試樣，設(shè)定注塑溫度為220 ℃，注塑壓力為120 MPa，在高溫環(huán)境下將充分共混后的顆粒變成流動態(tài)，再在高壓力的作用下將其注射至成型模具中，待冷卻后得到啞鈴形狀的測試樣品，樣品如圖1(e)所示.

通過對啞鈴試樣進(jìn)行形狀處理，得到如圖1(f)所示的滿足摩擦磨損試驗的長方體狀.所有試樣在試驗前進(jìn)行表面拋光處理，得到表面平均粗糙度(Sa)為0.2±0.04 μm的試樣(白光干涉儀，Micro Xam，ADEP Hase Shift，Inc，美國).納米SiO2改性后的UHMWPE復(fù)合材料的力學(xué)性能通過萬能材料試驗機(jī)(Instron 5967，INSTRON，中國)測得.

Fig.1 Materials and manufacturing technique: (a)UHMWPE powder; (b)nano-SiO2 particles; (c)banbury mixer; (d)sketch of injection molding machine; (e)samples size of tensile test; (f)samples for friction test圖1 試驗材料及制備流程：(a)UHMWPE顆粒；(b)納米SiO2顆粒；(c)密煉機(jī)；(d)注塑機(jī)；(e)拉伸試樣；(f)摩擦試樣

1.2 納米SiO2改性后的UHMWPE復(fù)合材料表面元素分布

采用能譜儀(EDS)對納米SiO2改性后的UHMWPE復(fù)合材料進(jìn)行表面元素分析，分析復(fù)合材料中的元素組成和分布情況.圖2所示為使用能譜儀(EDS)對納米SiO2改性的UHMWPE復(fù)合材料表面元素分布的測試結(jié)果，其中測試試樣為納米SiO2含量為14.4 g，質(zhì)量分?jǐn)?shù)9.0% (即體積分?jǐn)?shù)4.0%)的UHMWPE復(fù)合材料.由圖2(a～d)表面元素分布圖可知，碳元素(C)、氧元素(O)和硅元素(Si)均勻分布在納米SiO2改性后復(fù)合材料表面，沒有發(fā)生顯著團(tuán)聚現(xiàn)象，證明納米SiO2均勻存在于UHMWPE內(nèi).圖2(e)所示中EDS曲線上除了碳元素和氧元素的激發(fā)峰之外，出現(xiàn)了硅元素的激發(fā)峰，這證明改性后的復(fù)合材料中存在納米SiO2，并且硅元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到9.6%，與設(shè)計的添加含量及體積分?jǐn)?shù)接近，滿足試驗設(shè)計要求.因此通過對納米SiO2改性的UHMWPE復(fù)合材料表面元素分布試驗，能夠證明納米SiO2按照配比設(shè)計條件存在于UHMWPE中.

Fig.2 EDS results of UHMWPE modified by nano- SiO2 with mass fraction of 9.0% (volume fraction of 4.0%):(a)microtopography; (b)C; (c)O; (d)Si; (e)element contents of the composite from EDS圖2 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為9.0%(體積分?jǐn)?shù)為4.0%)納米SiO2改性的UHMWPE的EDS結(jié)果：(a)微觀形貌圖；(b)C；(c)O；(d)Si；(e)EDS曲線及各元素含量

1.3 摩擦磨損試驗

所有的摩擦磨損試驗均在RTEC多功能摩擦磨損試驗機(jī)(MFT-5 000，RTEC，美國)上進(jìn)行，如圖3所示.選用具有不同納米SiO2體積分?jǐn)?shù)且長度、寬度分別為20 mm和10 mm的UHMWPE復(fù)合材料為測試試樣.Si3N4陶瓷球因具有高強(qiáng)度和優(yōu)異穩(wěn)定性能，難以在磨損過程中被破壞，可以盡可能地保證數(shù)據(jù)的重現(xiàn)性和可靠性，因此被選為摩擦配副，其直徑為10 mm，表面粗糙度為0.1±0.02 μm.摩擦磨損試驗過程中，陶瓷球固定在上部且保持靜止，而UHMWPE復(fù)合材料固定在下部，并在電機(jī)的帶動下進(jìn)行行程為10.5 mm的往復(fù)運(yùn)動，豎直載荷為30 N，往復(fù)頻率為2 Hz (21.00 mm/s)，磨損時間為20 min.通過在UHMWPE復(fù)合材料和Si3N4陶瓷球接觸表面間添加水溶液，模擬濕滑環(huán)境.數(shù)據(jù)采集器每0.000 1秒采集1次摩擦力信號，每組試驗重復(fù)3次以驗證試驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性.此外，每組試驗結(jié)束后均更換新的Si3N4陶瓷球和UHMWPE復(fù)合材料試樣.

Fig.3 Experimental equipment and materials (a)overall appearance of RTEC commercial tribo-tester and test platform;(b)size of test samples; (c)schematic diagram of the friction experiment process under water lubrication condition圖3 試驗過程：(a)RTEC多功能標(biāo)準(zhǔn)摩擦磨損試驗機(jī)；(b)摩擦試樣；(c)水環(huán)境下摩擦試驗

1.4 測試技術(shù)和方法

利用掃描電子顯微鏡(SEM,VEGA3，TESCAN，捷克)觀察納米SiO2改性后的UHMWPE復(fù)合材料的微觀磨損形貌.通過激光共聚焦顯微鏡(VK-X1000，KEYENCE，日本)觀測摩擦磨損試驗后試樣磨痕形貌，得到磨痕深度、寬度和表面粗糙度，計算出復(fù)合材料的磨損率，磨損率的計算公式如下所示：

利用實測的磨痕曲線和積分原理計算磨損率K，t—測試時間(s)；F—載荷(N)；L—磨痕長度(mm)；v—滑動速度(mm/s)；Δx—單位增量長度(μm)；w—磨痕寬度(mm)；f(xi)—第i個矩形磨損深度(μm).

激光共聚焦平面分辨率設(shè)置為3 μm,即Δx為3 μm時，包含磨痕橫截面任意增量矩形面積Sai為

材料磨損輪廓截面面積Sall：

復(fù)合材料磨損體積V：

單位載荷和單位速度下的磨損率K：

2 結(jié)果與分析

2.1 納米SiO2改性UHMWPE復(fù)合材料力學(xué)性能

高分子復(fù)合材料所展示出的力學(xué)性能直接影響其表面變形行為，因此測試具有不同體積分?jǐn)?shù)納米SiO2的UHMWPE復(fù)合材料的表面硬度、拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度和撕裂強(qiáng)度，其結(jié)果如圖4所示.如圖4(a)所示，隨著納米SiO2體積分?jǐn)?shù)的增加，UHMWPE復(fù)合材料的表面硬度呈現(xiàn)上升趨勢，且含納米SiO2體積分?jǐn)?shù)為4.0%的UHMWPE復(fù)合材料的表面硬度值最大，為86 HD.但改性后復(fù)合材料的拉伸性能、彎曲性能和撕裂性能卻隨SiO2體積分?jǐn)?shù)的升高而呈現(xiàn)下降的趨勢，0% SiO2體積分?jǐn)?shù)的UHMWPE復(fù)合材料的性能最優(yōu)[圖4(b～d)].不同SiO2體積分?jǐn)?shù)的UHMWPE復(fù)合材料的力學(xué)性能結(jié)果表明納米SiO2的添加能提升UHMWPE表面硬度.然而，隨著SiO2體積分?jǐn)?shù)的升高，拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度和撕裂強(qiáng)度均有不同程度的降低.這是因為，本試驗采用物理共混改性的方式制備復(fù)合材料，SiO2納米顆粒與UHMWPE之間通過物理粘附相結(jié)合，與化學(xué)共混改性相比，兩者之間的黏附力較弱；當(dāng)納米SiO2體積分?jǐn)?shù)過大時，納米顆粒與UHMWPE的接觸面積增大，二者之間產(chǎn)生接觸缺陷的幾率將會增多，最終導(dǎo)致復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度、彈性模量和斷裂伸長率降低[18].

Fig.4 The mechanical properties of the composites: (a)shore hardness; (b)tensile strength;(c)Bending strength and (d)tear strength圖4 納米SiO2改性后的UHMWPE復(fù)合材料的力學(xué)性能：(a)邵氏硬度；(b)拉伸強(qiáng)度；(c)彎曲強(qiáng)度；(d)撕裂強(qiáng)度

2.2 納米SiO2改性UHMWPE復(fù)合材料的摩擦系數(shù)

圖5所示為不同體積分?jǐn)?shù)的納米SiO2改性的UHMWPE復(fù)合材料在2.0 Hz，30 N工況下表現(xiàn)出的摩擦系數(shù).純UHMWPE在干摩擦下表現(xiàn)出較高的摩擦系數(shù)，達(dá)到0.154，但是純UHMWPE在水潤滑條件下摩擦系數(shù)驟降至0.045，相比于干摩擦條件下下降了71%，呈現(xiàn)出極低的摩擦學(xué)行為[圖5(a～b)].這說明在濕滑環(huán)境下純UHMWPE表現(xiàn)出較差的防滑性能，因此需要通過添加納米SiO2改性UHMWPE來提高其防滑效果.含納米SiO2體積分?jǐn)?shù)為0.4%的UHMWPE復(fù)合材料的摩擦系數(shù)上升至0.06并保持穩(wěn)定[圖5(c)].此后，隨著納米SiO2體積分?jǐn)?shù)分別提升至1.3%和2.2%，改性后UHMWPE的摩擦系數(shù)繼續(xù)呈現(xiàn)略微上升趨勢，分別達(dá)到0.069和0.065，且過程較為平穩(wěn)[圖5(d～e)].但是，當(dāng)納米SiO2體積分?jǐn)?shù)持續(xù)上升至3.1%時，改性后的UHMWPE摩擦系數(shù)曲線呈現(xiàn)上升趨勢并伴隨著明顯的波動，最大波動幅值達(dá)到0.14[圖5(f)].而納米SiO2體積分?jǐn)?shù)升高至最大的4.0%時，復(fù)合材料的摩擦系數(shù)在極短時間內(nèi)迅速上升，最終升至0.15，與純UHMWPE在干摩擦環(huán)境下的摩擦系數(shù)接近，并伴隨不穩(wěn)定的波動，即較為嚴(yán)重的摩擦磨損行為[圖5(g)].

通過將整個測試時間內(nèi)的摩擦系數(shù)數(shù)據(jù)取平均值最終得到UHMWPE復(fù)合材料在不同納米SiO2體積分?jǐn)?shù)下的平均摩擦系數(shù)，結(jié)果如圖5(h)所示.純UHMWPE在干摩擦環(huán)境下表現(xiàn)出0.154的較高摩擦系數(shù)，而在水潤滑環(huán)境下平均摩擦系數(shù)驟降至0.045，證明純UHMWPE在濕滑環(huán)境下表現(xiàn)出較差的防滑性能.通過納米SiO2改性的UHMWPE平均摩擦系數(shù)在水潤滑環(huán)境下隨納米SiO2體積分?jǐn)?shù)的升高而呈現(xiàn)上升的趨勢，由0.056上升至0.126，此數(shù)值與干摩擦條件下純UHMWPE的平均摩擦系數(shù)十分接近，達(dá)到超過船舶傳統(tǒng)防滑材料性能的改善效果.通過測試納米SiO2改性后的UHMWPE復(fù)合材料在濕滑環(huán)境下的摩擦系數(shù)行為，可以證明納米SiO2的添加能夠提高UHMWPE的摩擦系數(shù)，同時也增強(qiáng)表面防滑性能.

Fig.5 At 2.0 Hz and 30 N: (a)dry friction coefficient of pure UHMWPE; the friction coefficient of water lubrication of UHMWPE modified with different volume fractions of nano-SiO2: (b)0%; (c)0.4%; (d)1.3%; (e)2.2%;(f)3.1%; (g)4.0%; (h)Average friction coefficient圖5 在2.0 Hz，30 N工況下：(a)純UHMWPE的干摩擦系數(shù)；不同體積分?jǐn)?shù)的納米SiO2改性后的UHMWPE的水潤滑摩擦系數(shù)：(b)0%；(c)0.4%；(d)1.3%；(e)2.2%；(f)3.1%；(g)4.0%；(h)平均摩擦系數(shù)

2.3 納米SiO2改性UHMWPE復(fù)合材料磨痕形貌

圖6和圖7所示為使用激光共聚焦顯微鏡觀測的不同體積分?jǐn)?shù)的納米SiO2改性后的UHMWPE復(fù)合材料經(jīng)過2.0 Hz，30 N水潤滑摩擦磨損試驗后磨痕形貌結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)隨著納米SiO2體積分?jǐn)?shù)的變化，復(fù)合材料磨痕深度也隨之變化.其中，圖6所示為六組納米SiO2改性的UHMWPE復(fù)合材料磨痕的三維形貌數(shù)據(jù)，由圖可知，隨著UHMWPE復(fù)合材料含納米SiO2體積分?jǐn)?shù)的升高，UHMWPE復(fù)合材料的磨痕深度逐漸變深，磨痕越來越明顯.并且磨痕表面的不規(guī)則凸起現(xiàn)象隨著納米SiO2體積分?jǐn)?shù)的持續(xù)升高而愈發(fā)明顯，證明UHMWPE材料磨痕表面愈發(fā)粗糙.此外，納米SiO2改性的UHMWPE復(fù)合材料的磨痕橫截面曲線如圖7所示，其中，純UHMWPE在水環(huán)境下的摩擦磨損試驗后磨痕深度為12 μm，但隨著添加納米SiO2的體積分?jǐn)?shù)升高，UHMWPE復(fù)合材料的磨痕深度呈現(xiàn)略微上升趨勢，磨痕深度(納米SiO2體積分?jǐn)?shù)為0.4%)由14 μm略微升高至15 μm (納米SiO2體積分?jǐn)?shù)為2.2%)，最后升高至16 μm (納米SiO2體積分?jǐn)?shù)為4.0%).通過納米SiO2改性的UHMWPE復(fù)合材料的磨痕深度數(shù)據(jù)可以得到結(jié)論：隨著UHMWPE復(fù)合材料中添加納米SiO2的體積分?jǐn)?shù)升高，UHMWPE復(fù)合材料磨痕深度呈現(xiàn)略微升高的趨勢，且磨痕處變得較為粗糙.

Fig.6 Three-dimensional morphologies of the wear marks of UHMWPE modified with different volume fractions of nano-SiO2 under the condition of 2 Hz and 30 N after the water lubrication friction test: (a)0%; (b)0.4%; (c)1.3%; (d)2.2%; (e)3.1%; (f)4.0%圖6 2.0 Hz，30 N工況下不同體積分?jǐn)?shù)的納米SiO2改性后的UHMWPE在水潤滑摩擦試驗后的磨痕三維形貌：(a)0%；(b)0.4%；(c)1.3%；(d)2.2%；(e)3.1%；(f)4.0%

Fig.7 Wear profiles of UHMWPE modified with different volume fractions of nano-SiO2 at 2.0 Hz and 30 N after water lubrication friction test:(a)0%；(b)0.4%；(c)1.3%；(d)2.2%；(e)3.1%；(f)4.0%圖7 2.0 Hz，30 N工況下不同體積分?jǐn)?shù)的納米SiO2改性后的UHMWPE水潤滑摩擦試驗后的磨痕輪廓：(a)0%；(b)0.4%；(c)1.3%；(d)2.2%；(e)3.1%；(f)4.0%

圖8所示為復(fù)合材料的磨痕深度和磨損率結(jié)果，由圖8(a)可知干摩擦工況下純UHMWPE磨痕深度為22 μm，在水潤滑工況下降為12 μm，下降了45%，并且隨著納米SiO2的加入和體積分?jǐn)?shù)的升高，水潤滑工況下UHMWPE復(fù)合材料的磨痕深度呈現(xiàn)出略微上升的趨勢，純UHMWPE的磨痕深度最低，為12 μm，體積分?jǐn)?shù)為4.0%納米SiO2的UHMWPE具有最深磨痕深度值，為16 μm，明顯低于干摩擦工況下的22 μm.圖8(b)所示為納米SiO2的加入和添加比例對UHMWPE磨損率影響規(guī)律，水潤滑下純UHMWPE與試驗中復(fù)合材料的磨損率均低于干摩擦下純UHMWPE磨損率(5.9×10-7mm2·s/N)，隨著納米SiO2體積分?jǐn)?shù)的升高，復(fù)合材料的磨損率呈現(xiàn)上升趨勢，首先由純UHMWPE的磨損率3.1×10-7mm2·s/N明顯升高至含納米SiO2體積分?jǐn)?shù)2.2%的UHMWPE復(fù)合材料的4.2×10-7mm2·s/N，隨后緩慢地繼續(xù)升高至含納米SiO2體積分?jǐn)?shù)4.0%的UHMWPE復(fù)合材料的4.7×10-7mm2·s/N，與干摩擦工況下純UHMWPE相比仍有明顯優(yōu)勢.磨損率增長率呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢，此現(xiàn)象反映了雖然納米SiO2能增強(qiáng)UHMWPE材料的防滑性能，但是抗磨損影響較小.原因是納米SiO2會加劇摩擦表面的磨粒磨損，加劇了磨粒與摩擦副之間的相對摩擦程度使得磨痕深度增加，因此改性后UHMWPE復(fù)合材料的磨損率首先出現(xiàn)明顯升高的趨勢.然而，隨著納米SiO2體積分?jǐn)?shù)的升高，增大了納米SiO2與陶瓷球的接觸面積，由于納米SiO2與UHMWPE之間的剛度差異性，基本不變形的納米SiO2起到優(yōu)先承載的作用，降低UHMWPE基體材料與陶瓷球的接觸面積，進(jìn)而減緩復(fù)合材料的磨損率的增長趨勢.

Fig.8 Wear scratch depth (a)and wear rates (b)of composites at 2.0 Hz,30 N under dry and water lubrication.圖8 2.0 Hz，30 N工況下不同體積分?jǐn)?shù)的納米SiO2改性后的UHMWPE在干摩擦和水潤滑摩擦試驗后的磨損劃痕深度(a)和磨損率(b).

2.4 納米SiO2改性UHMWPE復(fù)合材料的微觀形貌

不同納米SiO2體積分?jǐn)?shù)改性的UHMWPE復(fù)合材料在進(jìn)行水潤滑摩擦磨損試驗后可以使用激光共聚焦顯微鏡測得磨痕處的表面粗糙度Sa，其結(jié)果如圖9所示.純UHMWPE磨痕處粗糙度為3.670 μm，UHMWPE復(fù)合材料磨痕處的粗糙度隨著納米SiO2的添加和體積分?jǐn)?shù)的升高而呈現(xiàn)上升趨勢.其中，當(dāng)納米SiO2體積分?jǐn)?shù)為0.4%時粗糙度升至4.168 μm，隨后繼續(xù)升至4.527 μm (納米SiO2體積分?jǐn)?shù)為2.2%)，最后當(dāng)納米SiO2體積分?jǐn)?shù)為4.0%時表現(xiàn)出最為粗糙的表面，粗糙度Sa達(dá)到5.604 μm.當(dāng)納米SiO2體積分?jǐn)?shù)較高時，越來越多的納米SiO2顆粒在摩擦磨損過程中顯露出來，增強(qiáng)硬質(zhì)顆粒與摩擦配副的接觸面積，在磨損過程中材料表面粗糙度上升，進(jìn)而迅速增大摩擦系數(shù).

由圖9(a)可知，純UHMWPE在摩擦磨損試驗后表現(xiàn)出光滑的磨痕形貌，僅存在少量的輕微變形行為.而當(dāng)添加的納米SiO2體積分?jǐn)?shù)為0.4%時，復(fù)合材料表面出現(xiàn)少量沿摩擦方向延伸的裂紋，如圖9(b)所示.但隨著納米SiO2體積分?jǐn)?shù)的持續(xù)增加，復(fù)合材料表面出現(xiàn)的裂紋和變形行為愈發(fā)嚴(yán)重.當(dāng)納米SiO2體積分?jǐn)?shù)增加到1.3%時，表面裂紋逐漸增大，并伴隨著撕裂的行為，這使表面開始變得粗糙[圖9(c)].當(dāng)納米SiO2體積分?jǐn)?shù)增加到2.2%時，復(fù)合材料微觀表面除了明顯的裂紋之外，也出現(xiàn)了可能是由于納米SiO2聚集而產(chǎn)生材料堆積的現(xiàn)象，使得磨痕表面粗糙程度進(jìn)一步加劇[圖9(d)].當(dāng)納米SiO2體積分?jǐn)?shù)持續(xù)增加到3.1%和4.0%時，如圖9(e)和(f)所示，改性后的UHMWPE磨痕表面出現(xiàn)了沿摩擦方向排列的明顯磨損裂紋，并伴隨著材料的拉伸和撕裂行為，與圖5(f)和(g)的結(jié)果一致，這些明顯的變形行為在增加表面粗糙度的同時，也加劇了改性后UHMWPE在摩擦磨損過程中的波動行為，摩擦系數(shù)迅速上升.因此，根據(jù)納米SiO2改性的UHMWPE在摩擦磨損后的微觀形貌，可以證明隨著納米SiO2體積分?jǐn)?shù)的增加，UHMWPE復(fù)合材料表面由較為光滑態(tài)轉(zhuǎn)變成為嚴(yán)重磨損態(tài)，并且在高納米SiO2體積分?jǐn)?shù)時，表面磨損行為轉(zhuǎn)變成為嚴(yán)重的裂紋和撕裂變形，加劇磨痕處粗糙程度.

Fig.9 SEM micrographs of morphology of UHMWPE modified by different volume fractions of nano- SiO2 at 2.0 Hz and 30 N after water lubrication friction test: (a)0%; (b)0.4%; (c)1.3%; (d)2.2%; (e)3.1%; (f)4.0%圖9 2.0 Hz，30 N工況下不同體積分?jǐn)?shù)的納米SiO2改性后的UHMWPE在水潤滑摩擦試驗后微觀形貌的SEM照片：(a)0%；(b)0.4%；(c)1.3%；(d)2.2%；(e)3.1%；(f)4.0%

2.5 納米SiO2增強(qiáng)UHMWPE防滑性能機(jī)理分析

通過分析不同納米SiO2體積分?jǐn)?shù)改性的UHMWPE復(fù)合材料在水環(huán)境下摩擦磨損試驗結(jié)果，表明納米SiO2的添加改變了UHMWPE復(fù)合材料的摩擦學(xué)行為，主要表現(xiàn)在摩擦系數(shù)的升高和磨痕表面粗糙度的升高，進(jìn)而影響其防滑性能.一方面，納米SiO2增大了UHMWPE復(fù)合材料的接觸角[圖10(a)和(b)]，由純UHMWPE的75.6°升至納米SiO2體積分?jǐn)?shù)4.0%改性復(fù)合材料的94.5°，使UHMWPE從親水性逐步向疏水性轉(zhuǎn)變，一定程度上削弱了水膜在納米SiO2改性UHMWPE復(fù)合材料的浸潤能力和吸附性，有力提高了UHMWPE的摩擦系數(shù)[19].另一方面，由于納米SiO2屬于高硬度高耐磨性顆粒，雖然將其加入能增強(qiáng)UHMWPE表面的硬度(圖4)，但是納米SiO2顆粒的硬度和彈性模量均遠(yuǎn)大于UHMWPE；在受壓或摩擦接觸過程中，納米SiO2顆粒幾乎不變形，UHMWPE則變形顯著，這種差異性使得納米SiO2顆粒在摩擦磨損過程中逐漸突出在UHMWPE復(fù)合材料磨損表面，形成微凸體，并與摩擦配副氮化硅陶瓷球直接接觸，嚙合磨損更為劇烈，同時受到陶瓷球的阻力，如圖10(c)，(d)和(e)所示.納米SiO2在外界載荷的作用下與陶瓷球的嚙合現(xiàn)象更為明顯，使摩擦過程中摩擦力主要來自于復(fù)合材料和陶瓷球表面接觸點上的嚙合，因此提高了UHMWPE復(fù)合材料的摩擦力，即摩擦系數(shù)(圖5).此外，由于納米SiO2的添加降低材料的彎曲強(qiáng)度、拉伸性能與撕裂強(qiáng)度，因此復(fù)合材料更容易發(fā)生變形行為，從而增加復(fù)合材料磨痕處的粗糙度.隨著納米SiO2體積分?jǐn)?shù)的逐漸升高，UHMWPE復(fù)合材料發(fā)生變形的趨勢愈發(fā)明顯，磨痕表面的變形行為也愈發(fā)嚴(yán)重，使得表面愈發(fā)粗糙[圖10(f)]，納米SiO2與氮化硅陶瓷球發(fā)生更多嚙齒磨損的行為，進(jìn)一步增加改性復(fù)合材料與摩擦配副之間的機(jī)械嚙合力，提高摩擦系數(shù).綜上，納米SiO2削弱UHMWPE的親水性以及強(qiáng)化復(fù)合材料與摩擦配副之間的嚙齒磨損過程，最終導(dǎo)致復(fù)合材料的防滑性能顯著增加，甚至使得改性UHMWPE在水潤滑條件下的摩擦系數(shù)接近于干摩擦條件下的摩擦系數(shù)，表現(xiàn)出優(yōu)異的防滑性能.

Fig.10 (a)Contact angle micro picture of composite with 4.0% volume percentage of nano-SiO2,(B)Contact angle agree of UHMWPE modified with different volume fractions of nano-SiO2; (c)macroscopic diagram,(d)microscopic diagram,(e)wear model and (f)surface roughness of UHMWPE modified with different volume fractions of nano-SiO2 at 2.0 Hz and 30 N in the water lubrication friction test圖10 (a)4.0%納米SiO2改性后的UHMWPE的接觸角微觀圖片和(b)不同體積分?jǐn)?shù)納米SiO2改性后的UHMWPE的接觸角度數(shù)；2.0 Hz，30 N工況下不同體積分?jǐn)?shù)的納米SiO2改性后的UHMWPE在水潤滑摩擦試驗中的(c)宏觀示意圖、(d)微觀示意圖、(e)磨損模型和(f)表面粗糙度

3 結(jié)論

納米SiO2通過提升表面粗糙度的方式提升UHMWPE在濕滑環(huán)境下的摩擦系數(shù)，由此提升防滑性能，其主要結(jié)論如下：

a.納米SiO2堅硬且不易變形的特性使其在受壓摩擦變形過程中顯露出來，與摩擦配副氮化硅陶瓷球直接接觸并形成咬合，提高了UHMWPE復(fù)合材料的摩擦力，最終提高了摩擦系數(shù).

b.納米SiO2降低UHMWPE復(fù)合材料與摩擦磨損過程相關(guān)的典型力學(xué)性能，包括其彎曲強(qiáng)度、拉伸性能與撕裂強(qiáng)度，使其在摩擦磨損過程中更容易發(fā)生變形行為，增大粗糙度；且納米SiO2削弱UHMWPE的親水性，進(jìn)一步提高防滑效果.

c.納米SiO2的加入使得改性UHMWPE在水潤滑條件下的摩擦系數(shù)接近于干摩擦條件下的摩擦系數(shù)，表現(xiàn)出優(yōu)異的防滑性能.