三种典型工程塑料老化行为与摩擦学性能研究

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隔震支座是连接上部建筑与下部地基之间实现减震隔震功能的重要部件,它通过支座中滑移材料与滑移面板往复摩擦运动的自复位功能抵消外部输入的能量,达到保障建筑平顺性、稳定性和可靠性的目的。隔震支座中的摩擦副主要由工程塑料制备的滑移材料和镜面不锈钢滑移面板构成,需要在高载荷和宽滑动速度工况下保持稳定低摩擦系数、低磨耗和长使用寿命。因此,其承载力、耐磨性及老化性能等直接决定着隔震支座的服役寿命和运维安全。本文以聚四氟乙烯(PTFE)、超高分子量聚乙烯(UHMWPE)和聚醚醚酮(PEEK)三种典型工程塑料为研究对象,在较大载荷下,对比研究了摩擦载荷和往复频率对三种工程塑料摩擦磨损行为的影响规律;将三种材料进行紫外线照射和热氧老化处理,利用力学、摩擦学以及分析测试设备,对比研究这三种工程塑料的老化行为及其对摩擦学性能的影响;采用计算机分子动力学模拟技术,考察分析了三种材料的微观分子结构随热氧老化反应时间和氧气浓度的变化规律,为隔震支座摩擦副部件的设计、选材和应用提供理论基础和技术指导。论文的主要研究内容与结果如下:(1)较大载荷下,三种工程塑料的摩擦系数均随载荷的增大而减小,随往复频率的增大而增加;相同摩擦条件下摩擦系数表现为PEEK>UHMWPE>PTFE,其中PTFE摩擦系数波动明显,UHMWPE摩擦系数随载荷和往复频率变化较为稳定。三种工程塑料的磨损率随载荷和往复频率增大而逐步增大,其中,PTFE的磨损率受载荷和往复频率影响最大,随载荷和往复频率变大迅速增加;UHMWPE的耐磨性较好,磨损率受载荷和往复频率影响相对较小。通过进一步分析PV值与三种工程塑料摩擦系数和磨损性能的对应关系,在PV值<4 MPa·m/s范围内,PTFE摩擦系数低,耐磨性差;PEEK耐磨性好,摩擦系数较大;UHMWPE摩擦系数较低,耐磨性较好,在材料未老化时比较适用的滑动支撑材料。(2)随紫外线照射时间增加,PEEK试样整体外观颜色由未照射时的浅咖啡色转变为褐色,且表面局部出现了深褐色样改变;UHMWPE的外观颜色由乳白色逐步发黄,局部表面可见黄褐色产物;而PTFE变化不明显。紫外线照射导致PTFE出现了亚甲基(-CH2-)和羰基(-C=O)吸收峰;PEEK出现了羟基(-OH)和羰基(-C=O)吸收峰,芳香醚(Ar-O-Ar)吸收峰强度逐渐减小;UHMWPE出现了羰基(-C=O)和C-O-C吸收峰,且其峰高随照射时间的延长而呈现增大的趋势。经紫外线照射的样品中,PTFE的平均摩擦系数较为稳定,UHMWPE的摩擦系数和磨损率均受紫外线影响最大,紫外辐射对PEEK的磨损率的影响小于PTFE,但平均摩擦系数较大。(3)随热氧老化时间增加,PTFE和PEEK的外观特征与未热氧老化时无明显差别;UHMWPE的外观颜色在热氧老化条件下颜色由乳白色逐步变黄,且随着热氧老化时间的增加,黄色特征越来越明显。热氧老化导致UHMWPE出现羰基(-C=O)伸缩振动和碳氧单键(C-O)对称伸缩振动吸收峰;PEEK出现了-CH2-的伸缩振动吸收峰,而PTFE的红外吸收峰无明显变化。UHMWPE的摩擦系数和磨损率均受热氧老化影响最大,PTFE的动态摩擦系数波动明显,但平均摩擦系数相对稳定,热氧老化对PEEK的磨损率影响较小,但平均摩擦系数较大。(4)采用分子动力学方法研究了三种材料的热氧老化反应机理。PTFE的起始反应温度更高,表明其具有更好的耐热性和耐氧化性,PTFE分子链被氧化断裂后生成CF2O小分子,随着老化时间进一步增加,CF2O小分子被氧分子氧化成CFO2小分子,直至主链被氧化为小分子链段,不同氧气浓度下,氧气的消耗速率大致相同,氧气浓度较高时会发生接枝反应,接枝链的形成能够延长氧化的时间,对碳链起到了一定的保护作用。UHMWPE热氧老化反应过程表现为分子链发生氧化和热解形成小分子片段,并有羰基和水生成;随后前期断裂形成的小分子片段发生高温交联形成网状结构。随着氧气浓度的增加,UHMWPE分子链的断键由热解断键转化为氧化断键。PEEK的热氧老化反应过程为苯环间的醚键(C-O-C)在高温下断裂后形成酮基,并在苯环上形成过氧化物及酮基,随后苯环发生热解和氧化开环反应,主链上酮基两侧的苯环脱氢生成网状结构碎片,并伴随有CO2生成,最后网状结构碎片间相互交联,形成网状交联结构。
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