摘 要

水润滑材料在最近几年发展迅速，正逐渐成为一种很有前景的摩擦副材料，我国热塑性材料人均使用量逐年提高，热塑性材料行业的年产量也呈现出高速发展的态势。不同热塑性材料在水润滑状态下的摩擦磨损性能决定了其在水润滑领域的应用。本文通过对不同水润滑热塑性材料的摩擦磨损性能进行实验研究，分析试验工况下的材料摩擦磨损特性，为热塑性材料的工程应用提供试验依据。

本研究中选取PEEK、PTFE、UHMWPE三种材料，制备获取对应的盘试样，利用CBZ-1摩擦磨损试验机开展相关摩擦磨损试验。设置的试验工况：转速为250r/min，载荷分别为135N、225N、315N、405N。试验过程中实时材料摩擦力与摩擦系数数据，试验后获取材料磨损量以及磨损表面形貌参数。对比分析同种材料在不同载荷下以及不同材料在同种工况下的的摩擦系数、磨损量和磨损表面形貌的变化规律。

试验研究表明，在 PEEK、PTFE、UHMWPE三种材料的摩擦系数都比较小，其中PEEK和UHMWPE的摩擦系数随载荷增大而增大，PTFE的摩擦系数随载荷增大而减小；PEEK和UHMWPE的磨损量较小，PTFE磨损量较大；PEEK和UHMWPE的磨损表面比较光滑，PTFE的表面磨损比较严重。

关键词：水润滑、热塑性材料、摩擦系数、磨损量、表面形貌

Abstract

Water lubricating materials have developed rapidly in recent years and are gradually becoming a promising type of friction materials. The per capita use of thermoplastic materials in china has been increased year by year, and the annual output of thermoplastic materials industry has also shown a trend of rapid development. The friction and wear properties of different thermoplastic materials under water-lubricated condition determine their application in the field of water lubrication. In this paper, the friction and wear properties of different water-lubricated thermoplastic materials were studied under the tested conditions. The friction and wear characteristics of the materials under the experimental conditions were analyzed. It will provide the experimental basis for the engineering application of thermoplastic materials.

In this study, three materials, PEEK, PTFE, and UHMWPE, were selected to obtain the corresponding disk samples. The relevant friction and wear tests were performed using the CBZ-1 friction and wear tester. The test conditions were set as: the rotation speed was 250r/min, and the loads were 135N, 225N, 315N, and 405N, respectively. The real-time friction coefficient data of the material was collected during the test, and the material wear and wear surface topography parameters were measured after the test. The friction coefficient, wear amount and wear surface morphology of the same material under different loads and different materials under the same working conditions were compared and analyzed.

The Experimental research shows that the friction coefficients of the three materials PEEK, PTFE and UHMWPE were all relatively small. The friction coefficient of PEEK and UHMWPE increased with the increasing of applied load, and the friction coefficient of PTFE decreased with the increasing of applied load. The wear amount of PEEK and UHMWPE is smaller while that of PTFE is larger. the wear surfaces of PEEK and UHMWPE are relatively smooth while the surface wear of PTFE is severe.

Keywords: water lubrication, thermoplastic materials, friction coefficient, wear volume and surface topography

目 录

第1章 绪论 1

1.1研究目的及意义 1

1.2热塑性材料国内外研究现状 1

1.2.1热塑性材料 1

1.2.2 PEEK材料的国内外研究现状 3

1.2.3 PTFE材料的国内外研究现状 4

1.2.4 UHMWPE材料的国内外研究现状 5

1.3主要研究内容 6

第2章 实验材料及设备 8

2.1实验设备 8

2.1.1摩擦磨损实验设备 8

2.1.2磨损量检测设备 8

2.2.3表面形貌磨损分析设备 9

2.2实验材料制备 10

2.3实验方案 11

2.4本章小结 11

第3章 实验数据处理及分析 12

3.1摩擦系数分析 12

3.1.1同一材料在不同工况下的性能分析 12

3.1.2同一材料在不同工况下的性能分析 15

3.2磨损量分析 17

3.2.1同种材料在不同载荷下的磨损量分析 18

3.2.2不同材料在相同载荷下的磨损量分析 18

3.2.3锡青铜盘磨损量分析 19

3.3磨损形貌分析 20

3.3.1同种材料不同载荷下的表面形貌分析 20

3.3.2不同材料相同载荷下的表面形貌分析 22

3.4本章小结 23

第4章 结论与展望 24

4.1论文结论 24

4.2研究展望 24

参考文献 26

致 谢 28

第1章 绪论

1.1研究目的及意义

对于热塑性塑料，它具有卓越的性能，多功能性和成型技术的多功能性。可把其分为普通、工程、特种塑料等。一般来说，使用范围广，加工简单，综合性能好是塑料的主要的几个特点，所以便于使用。比如称为“五大通用塑料”的PE、PVC、PP、PS和ABS，就被广泛应用于生活中^[1]。工程塑料和特种塑料的特点是聚合物结构和性能特别突出，加工工艺难以加工。它可用于专业工程或特殊领域和应用。主要得工程塑料有：尼龙（Nylon），聚碳酸酯（PC），聚氨酯（PU），聚四氟乙烯（Teflon，PTFE），聚对苯二甲酸丁二醇酯（PET）等。所谓热塑性材料在生活中广泛使用^[2]于“医用高分子” “合成心脏瓣膜”和“人造关节”等特殊塑料，熟悉热塑性材料的不同性能，能够给我们生活中使用热塑性材料提供基本的使用依据提供方便^[3]。

而每种材料的摩擦磨损性能能使我们掌握使用这种材料来能提供良好的帮助^[4]，所以本实验希望通过对不同热塑性材料的摩擦磨损性能进行研究，让我们更好的了解热塑性材料的摩擦磨损性能，让我们在生活中更好的利用热塑性材料。目前，众多的摩擦学工作者热塑性材料的磨损已作了大量而深入的研究工作^[5]，为各热塑性材料零部件的减摩抗磨以及摩擦磨损研究积累了宝贵丰富的资料和经验。在实际服役过程中热塑性的磨损破坏往往是多种原因导致的多种磨损机制共同作用的结果。我们可以借鉴前人的经验和资料运用到我们的实验中。

1.2热塑性材料国内外研究现状

1.2.1热塑性材料

最近几十年来，塑料工业逐渐推广到了世界各地，它的起源主要是在美国。可以说，塑料行业呈现出的增长态势是很迅猛的，各种塑料产品不断产生，比如说近年来在生活中常见的塑料膜材还有各种高分子复合材料、PVC树脂等。从我国现有的塑料制品种类来看，我国现今的塑料制品并没有能够打破现今的塑料制品的束缚，我国塑料制品的科技含量并不是很高，致使我国塑料产品大多数都流入了低端市场，由此可见，我国的塑料制品的发展上有着巨大的提升空间^[6]。

近些年来，热塑材料制品在我们生活越来越常见，成为了生活中不可缺少的东西，同时它也被广泛利用在航空航天、国际经济、国防军工和高科技等这些高科技领域。可以说，在当今热塑性材料制品生产研究是研究界的大热门，也是我国的热塑性材料制品行业目前的主体核心。我国乃至全世界的塑料制品行业加工主要包含：塑料加工、磨具以及机加工等^[7]。在塑料加工行业中，有两个具很有较大发展潜力的子行业一个是配线器材，另一个是电器类的辅件。作为重要的绝缘材料的它们，它们的社会需求是随着塑料制品在社会生活中的需求增大而增加。

另外，由于建筑行业的发展，热塑性材料建筑制品种类别也随即受到影响，随着建筑行业的发展，它的总类也增加了很多，同时塑料产品的质量也明显提升，它的应用范围也在逐步扩大，比如，随着建筑行业的发展，以热塑性材料为原料的高分子防水材料的出现，保温材料的出现等反应了建筑行业发展下热塑性材料制品的增加。而这些都是被应用在了以热塑性材料为原料的制品上。由此可见，建筑塑料还有巨大的发展空间，我国着力于发展热塑性材料的同时，建筑塑料也一定会得到迅猛发展。现当今，我国塑料行业在通过多年的努力之后，已经得到了巨大的发展，从塑料产量来说，我国塑料生产量已然位居全世界第一^[8]。当然，我国塑料业也面临诸多问题，其中一个就是我国在热塑性产品上目前面临着行业转变的问题，因此，对热塑性材料的摩擦磨损性能研究，更好的研究了解塑料性能是必然的事。

当今中国经济正在稳步增长，各行业发展迅猛，中国塑料加工业也不例外，发展迅猛的中国塑料加工业促进了中国大部分塑料材料市场的需求。中国劳动力并不昂贵，因此在中国发展塑料制品行业，能够很大程度上具有成本优势，随着中国民族的伟大复兴，中国经济能力的提升，制造也得迅猛发展，中国塑料制品出口也在逐年增长，中国塑料行业继续发展是不可否认的。但是目前，中国塑料制品的废塑料的回收率却是非常低，回收利用对于西方发达国家仍处于起步阶段^[9]。随着经济科技发展迅猛的今天，废旧塑料回收行业在如今也同样遇到了前所未有的发展大机遇。塑料回收市场前景十分良好，值得我们期待，投资逐年活跃，我国正在发展成为塑料强国，在回收加工集群和专业化市场管理的中增加一个新环节，我们叫它保护行业。

在塑料材料和加工技术的发展的今天，在生活中常常见到塑料袋，这就是塑料包装，诚然塑料在包装领域已然有重要地位。目前，塑料制品中使用最广泛的品种就是塑料包装。在包装行业中，塑料包装制品都得到了迅速的发展和广泛的利用。当今中国的发展中，是建议建设节约型社会。而其中节能、节水、节地和节木是塑料管材的具有的四个明显的特点。生态的包装膜正在成为包装行业的未来主要趋势。预计到2020年，生态膜需求量将得到快速增长。

在开发塑料回收再利用技术时，生物降解塑料的研发也随之产生，生物降解塑料的研发，成为了全球塑料加工业的一个研究热点。生物降解塑料的研发目标是进一步开发一种可在微生物环境中降解，还可以完全进入生态循环的塑料，期望它能减少塑料薄膜和包装废物造成的环境污染。同时，这种塑料的生产成本不高，有着相应的经济性。使用后，它可以与普通的生物废物堆肥，无需收集，分类和复制的成本^[10]。

国家近几年实行了一系列经济刺激计划和产业兴旺计划，由于这些计划，塑料生产的需求和消费将得到加强，使塑料工业得到发展。国家近来出台了多种措施，其中就包括四万亿元投资项目、扩大内需、加快铁路和机场等重大基础设施建设的十项措施，以用来加快城行业转型。还有将PVC塑料制品等引入并实施了电网、汽车工业、电子信息、轻工等多个行业，期望它能起到上调和振兴企业的作用。它也是聚氯乙烯系列塑料制品的大需求户，它将在塑料工业企业生产中的发展发挥至关重要的作用。中国各地区塑料制品业有不同程度的增长。2017年我国塑料制品产量有着很大增长，增幅甚至高于50％以上。但是产量分布的不均匀分布的问题并没有得到改变。落后地区不断有高能耗、低加工技术和劳动密集型产品慢慢流入。

中国塑料产品供需市场方面，塑料产品供需市场也有很大的空间。塑料产品市场以塑料制品和包装市场为例，对于发达国家，塑料制品和塑料包装的市场份额为50％，而中国塑料制品和塑料包装的市场份额仅为25％。研究表明，未来20年塑料制品和塑料包装的主要市场需求将达到15000亿元^[11]。

1.2.2 PEEK材料的国内外研究现状

2002年有一款耐热PEEK(品牌PEEK - HT)推出，它是英国Victrex公司推出的半晶体聚合物。与标准PEEK相比，其最高承受温度方面提高了30摄氏度，在高温下的耐磨性提高了2倍，耐磨性能更好，它不需要在注射后后处理。该产品有粉末材料(PEEK - HTP22)和材料(PEEK - HTG22)两个选择，目前这种材料的销量已超过100t。

2003年，英国Victrex公司紧接着推出了一种改性PEEK。它的悬臂梁在140C的冲击强度能达到标准PEEK的2-3倍。在硬度和冲击性能两方面接近PC。目前正在各个应用领域进行评估，现在可以提供大量的产品。2003年，荷兰LNP工程塑料有限公司引进了热合LF10012和热合LF1006两种填充增强PEEK。热合LF10012含有60%的玻璃纤维和矿物填料，它的弯曲模量为15GPa，后玻璃纤维含量为30%。这两种材料具有良好的刚性和较强的抗弯变形能力，尤其适用于具有耐磨性能的齿轮和轴承。LNP已经用这种材料开发了化工行业的泵体和叶轮。英国Omnifit有限公司使用PEEK代替不锈钢制作了色谱仪的插头和附件。在典型的柱状环境中，PEEK能承受41.34MPa压力，而不会干扰分离和纯化过程，具有优异的耐化学性。

PEEK材料早期开始就一直被用在国防军工方面。在最初其开发国家对许多国家的出口都设置了很大的限制。作为一种重要的战略材料，如今随着PEEK已然在航空、汽车、电子、机械等许多军民用领域得到广泛应用，之前的限制也渐渐在消弱。

我国对 PEEK的研究一直很重视，PEEK材料的研究曾被列入“七五”国家重点科技攻关项目和国家“863”计划。在吉林大学的特种工程塑料研究中心中，我国研究人员完成了一个个PEEK的实验室试验，在全部采用国产原料，不进口西方材料的情况下，研究人员开发出具有我国自主知识产权的PEEK合成路线。在“八五”期间，研究人员进行了10t/a的放大试验，到了“九五”期间进一步扩大至30t/a，我国PEEK产品的主要性能指标参数都达到了国外同类产品的水平。

1.2.3 PTFE材料的国内外研究现状

目前，PTFE生产制造商遍布于全球十几个国家和地区。PTFE材料的生产和消费主要集中于西方发达国家和地区。美国杜邦公司、英国ICI公司、日本大金公司是世界著名的PTFE生产企业，剩下的还有德国Dyneon公司和意大利Ausimont公司等超过20家^[12]。杜邦公司、ICI公司、ICI公司、Dyneon公司和大金公司这四家企业在PTFE的生产上约占全球产量的80％，可以说这四家公司是未来聚四氟乙烯生产和技术进步领头者^[13]。

二十世纪中后期，随着世界各大公司企业的合并和重组，PTFE的生产的总体局域也受到影响，有着巨大的变化。PTFE的许多生产企业也合并重组。从20世纪80年代到90年代，全球PTFE材料的发展迅速增加，展现出快速发展的良好趋势。许多公司已经都迅速的建造并扩展了生产PTFE装置。近年来，PEEK材料发展速度有所放缓。到2020年，PEEK材料的全球产量可达到约为1500万顿每年。

九十年代，在我国，由于PEEK生产规模和设施技术水平不高等因素，虽然在PTFE的生产和研究方面起步早，但是国内主要生产企业并不多，国内产值一共是7000t/a。21世纪以来，中国PTFE产业得到迅猛发展。中国的萤石资源丰富，聚四氟乙烯基本原料有世界总储量中的1/3左右。除了丰富的原始资源优势外，中国对于PEEK的需求正在迅猛增长。因此，近年来一些国内企业计划引进先进的PEEK生产技术。另外，一些国外的跨国公司也正在积极建设和规划中国的PTFE项目，其中有例如浙江巨人引进俄罗斯技术和建设数千吨PTFE工厂,还有常熟国际氟化工业园建成后，该公司投资了浙江巨人公司的投资，该园区聚四氟乙烯厂的投资建设于2016年由日本代津公司投产，其他公司也有也提出了进驻常熟的意向。可以想象，中国PTFE产业将会迎接一个迅猛发展的兴新时期^[14]。

1.2.4 UHMWPE材料的国内外研究现状

目前，世界上拥有超高分子量聚乙烯（UHMWPE）生产独立产权的工业化国家和企业只有荷兰帝斯曼公司，美国霍尼韦尔，东洋纺织公司（帝斯曼合资企业）。UHMWPE的全球年产近万吨，预计2020年全球超高分子量聚乙烯产预计将超过2.5万吨。荷兰国家矿业公司是荷兰三大化工公司之一^[15]，荷兰国家矿业公司在1979年首次发布了高强高模聚乙烯纤维专利，这是世界上首次出现UHMWPE，之后该公司在荷兰海尔伦地区建成了五套超高分子量聚乙烯生产设备和一套单向高强高模聚乙烯纤维预浸料UD生产设备，成为世界上第一个超高分子量聚乙烯工业规模的生产企业，名字Dyneema。2004年5月，该公司在美国格林维尔投入使用了一种新的Dyneema纤维生产设备和两套UD防弹材料生产设备，这是反恐的核心材料。投资额约为1亿欧元，使其UHMWPE-Dyneema产能扩大40％，达到4500t/a，Dyneema UD材料。生产能力翻至2000t/a^[16]。

尽管目前国内UHMWPE已具有初步的市场竞争力，但是也有不可掩盖的问题，由于中国工业化进程缓慢^[17]，UHNWPE的研究发展还有待进一步提高。早在1985年，就已经有了UHMWPE课题的研究机构，它就是中国东华大学就率先开始研究的超高分子量聚乙烯项目，这代表着中国UHMWPE产业化的开始，中国便开始了研究UHMWPE的生产技术,并随之获得了一批超高分子量聚乙烯专利，并且能够在一些关键技术上，我们的UHMWPE生产技术处于世界前列。在之前UHMWPEDE研究试点成果的基础上，1999年底，东华大学又与中国中泰特种设备有限公司建成一套100t/a的工业生产设备，2000年扩大到200t/a。它的UHMWPE产品通过了中国湖南省科委专家的认证“国内领先，达到世界同类产品先进水平”。

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