石墨烯填充超高分子量聚乙烯摩擦磨损性能研究

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摩擦磨损存在于现代工业的所有领域,造成了大量的能源消耗和废弃物。为了促进现代工业的节能、降耗、减排,推动社会的可持续发展,国内外都十分重视发展绿色摩擦学。大力研发减磨耐磨材料是发展绿色摩擦学的重要组成部分。超高分子量聚乙烯(UHMWPE)具有优越的力学和机械学性能,但较低的表面硬度和抗弯曲强度、抗蠕变性能差等缺陷,阻碍了其在工业中的进一步应用。采用不同填料对UHMWPE进行填充改性是提高UHMWPE复合材料的常用和有效方法之一。本文采用改进的Hummer法制备了氧化石墨烯(GO),再通过溶液共混法和热压成型法,制备了GO/UHMWPE复合材料。利用扫描电子显微镜、原子力显微镜对制备样品进行形貌和厚度分析,利用X射线衍射确定GO内部形态和物相组成,拉曼光谱鉴别GO本身的分子结构,傅里叶变换红外光谱鉴定GO内部和边缘官能团。表征研究结果显示,本文制备的GO为薄膜状的片层状结构,GO的单层厚度大约为1-2nm,单片层长宽为微米级别,表面存在产生褶皱现象,并未出现团聚现象,GO被氧化程度较好。GO的填充提高了GO/UHMWPE复合材料的硬度,GO/UHMWPE复合材料的屈服强度和拉伸强度与GO的质量分数呈先增大再减小的趋势,同时断裂伸长率有所降低。干摩擦条件下,GO/UHMWPE复合材料的摩擦系数与纯UHMWPE相比略微有所上升,复合材料摩擦系数与GO填充量大小之间无明显规律。GO填料改善了UHMWPE的抗磨损性能。水润滑条件下,纯UHMWPE和GO/UHMWPE复合材料的摩擦系数相差不大。在研究载荷对复合材料影响的实验中,GO填充UHMWPE复合材料和纯UHMWPE的摩擦系数和磨损量都随载荷的增大而增大,随着GO填充量的增加,载荷对复合材料摩擦系数和磨损量的影响不断增加。综上所述,GO/UHMWPE复合材料与纯UHMWPE相比具有更优异的力学和摩擦学性能,在发展减磨耐磨材料方面具有重要的学术意义和广阔的市场前景。
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