高级热塑性塑料的摩擦力学解释和磨损诱导结晶的影响外文翻译资料

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高级热塑性塑料的摩擦力学解释和磨损诱导结晶的影响

Levente Ferenc Toth a,b,c,*, Jacob Sukumaran a,b, Gabor Szebenyi c, Patrick De Baets a,b a

a.Soete Laboratory, Department of Electrical Energy, Metals, Mechanical Constructions and Systems，Ghent University, Technologiepark Zwijnaarde 46, B-9052, Zwijnaarde, Belgium

b.Member of Flanders Make, The Strategic Research Center for the Manufacturing Industry, Belgium

c.Department of Polymer Engineering, Faculty of Mechanical Engineering, Budapest University of Technology and Economics, Muegyetem rkp. 3, H-1111, Budapest, Hungary

摘要

尽管有热塑性聚合物摩擦学方面的知识，但主要的磨损机理和影响材料的因素之间的关系仍然值得怀疑。本研究旨在将热塑性塑料的摩擦学特性与其机械行为和形态特征联系起来。摩擦已与所测得的磨损和摩擦/本体温度相关地分析了半结晶聚合物引起的进一步结晶。在本文中，九种不同的聚合物（聚酰胺酰亚胺– PAI，聚醚酰亚胺– PEI，聚碳酸酯– PC，聚苯砜– PPSU，聚对苯二甲酸乙二醇酯– PET，超高分子量聚乙烯– UHMWPE，聚偏二氟乙烯– PVDF，聚苯硫醚– PPS，聚酰胺6– PA6）进行了比较。所有标本均通过大型线性往复式平板摩擦测试仪在100Cr6钢端面的干燥接触条件。所有实验均选择4MPa的接触压力和50mm/s的滑动速度。磨损测试导致半结晶等级的结晶度增加。其中，PET和PPS显示出较高的结晶度相对增加。对于这两种材料，摩擦加热足够高，可以改变接触表面的形貌， 但仍低于熔化范围。仪器压痕测试的结果还通过在磨损测试后显示出更高的硬度/弹簧刚度来证实结晶度的显着提高。

关键字：滑动摩擦和磨损、非晶体和半结晶体热塑性、转移层、磨损对结晶度的影响、磨损机理

1.介绍

热塑性聚合物由于具有自润滑性，内部阻尼能力以及在磨蚀环境下的工作能力，因此常用于摩擦学领域。根据其形态结构，热塑性塑料可分为无定形和半结晶材料[1,2]。半结晶聚合物还包括无定形区域，该区域将微晶包裹为基质，这说明了结晶度[3]。结晶度会因聚合物的热和机械前因而变化，并且会影响其机械性能[4–6]。由于机械性能和分子链取向的变化，结晶度也对分子筛产生重要影响。转移层的形成和行为，进而可能影响摩擦和磨损特性[6,7]。由于持续的磨损结晶也会随着时间而变化。因此，在摩擦学组件的整个生命周期中，结晶度不是恒定值。与其他塑料相比，半结晶热塑性塑料由于在磨损过程中能够形成均匀且足够的转印层而显示出降低的摩擦和磨损值[8]。结晶度/机械性能与半结晶热塑性塑料的摩擦学特性之间的关系仍未完全确立。提出了不同的假设，包括材料，环境和测量条件/参数的差异。从聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）的研究中可以明显看出，结晶度对摩擦和磨损有影响行为[9–11]。Bhimaraj等，报告说摩擦系数随结晶度的增加而降低，磨损率增加[9]。可能的解释是，结晶度降低了韧性和延展性，因此聚合物表面失去了承受局部冲击和高应变的能力，从而导致更高的磨损率[9]，尽管聚合物的硬度和强度随结晶度 的增加而增加[12]。对于超高分子量聚乙烯（UHMWPE），Kang等人。还介绍了较高的结晶度会导致较高的磨损率，将缓慢冷却的样品与淬火的样品进行发生变化，从而使材料性能以意想不到的方式发生变化。为了更好地了解这种性能偏差，主要的是确定磨比较[13]。与PET结果相反，Karuppiah等人。结果表明，随着UHMWPE结晶度的增加，摩擦系数和磨损率均降低[6]。值得一提的是，UHMWPE的硬度比PET低得多。根据他们的说法，UHMWPE耐磨性增加可能与硬度和弹性模量的增加有关[6]。纳米压痕试验也证实了硬度随结晶度的增加而增加[6]。Car-tledge等研究了聚酰胺6（PA6）的耐磨性随结晶度的变化，该结晶度随制造工艺的冷却条件而变化[14]。可以说，结晶度的增加导致耐磨性的增加[14]。Chen等指出PA66能够在钢的相对表面上形成足够的转移层， 而对于聚苯硫醚（PPS）则不是这样[15]。PA66和PPS都破坏了碎片中的晶 体区域；因此，碎片中的结晶度明显低于原始材料[15]。这些文献结果表明，尽管设计适当的摩擦材料是必需的，但结晶度变化程度和磨损率之间的相关性尚未明确。尤其是结晶度、机械性能、转移层形成和碎屑产生之间的联系。观察实际应用，由于接触表面的磨损引起的结晶，在初始滑动距离之后，材料性能可能会损过程前后的机械和摩擦性能。

图1. Quadrant EPP Belgium提供的热塑性塑料。

本文试图通过大规模摩擦配置的应用来扩展我们在这个复杂主题中的知识。由于进行了大规模的磨损试验，因此预计会有更高的摩擦/整块温度，这会影响材料的结晶度，从而影响机械性能。

2.材料和方法

2.1测试材料

在这项研究工作中，选择了纯净的无定形和半结晶热塑性塑料。该材料不包含摩擦添加剂或任何增强剂，因为这些填料会改变纯净聚合物的特性， 从而导致这项研究工作的不确定性增加。标本图。1）选自具有不同性能水平（工程，先进和极限性能）的各种塑料材料。聚合物选择的另一个观点是结晶度，为了更好地理解，可以比较半结晶级和无定形级。本调查中所有测试的材料均由Quadrant EPP Belgium提供。

经研究的无定形热塑性塑料（表格1）包括Duratronreg;T4203（聚酰胺酰亚胺， PAI ）， Duratronreg;PEI U1000 （聚醚酰亚胺， PEI ）， Quadrantreg;PC 1000（聚碳酸酯， PC）和Quadrantreg;PPSU（聚苯砜， PPSU）。经过测试的半结晶热塑性塑料（表2）是Ertalytereg;PET-P（聚对苯二甲酸乙二醇酯，PET），TIVARreg;1000（超高分子量聚乙烯，UHMWPE）， SYMALITreg;1000（聚偏二氟乙烯，PVDF），Techtronreg;4208（聚苯硫醚，PPS） 和ERTALONreg; 6 XAU（聚酰胺6，PA6）。表1和2介绍了从Quadrant EPP数据表中摘录的所选热塑性塑料的一些重要的热和机械性能。在表格1非晶态材料的玻璃化转变温度和表2给出了半结晶塑 料的熔融温度。从中可以看出，PA6在空气饱和时具有相对较高的吸水率（在23C和50％RH时为2.2％）表2.该值比其他半结晶材料高1-2个数量级。在非晶热塑性塑料中，PAI同样具有 在空气中处于饱和状态时的高吸水率（23C和50％RH时为2.5％）。

2.2摩擦学表征

摩擦学的表征是使用内部内置的半大型线性往复滑动平顶三botester进行的。选择此设置是因为它允许力和接触表面尺寸接近实际规模。所有测试均在环境温度为23C，相对湿度（RH）为50％的调节室内进行。摩擦测试仪 的中心部分带有热电偶的位置，聚合物样品和钢制对接件，可见图2.两个钢制对接面均安装在中央滑块上，该滑块沿垂直方向滑动。两种聚合物安装在垂直方向坚硬但水平方向顺应的支座中，以允许磨损（和位移）。

表1 无定形热塑性塑料的热和机械性能（Quadrant EPP比利时）

表2 经过测试的半结晶热塑性塑料的热和机械性能（比利时Quadrant EPP）

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