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温度变化对UHMWPE摩擦性能与机械性能的影响

Juan-Carlos Baena^[1]*, Zhongxiao Peng

（澳大利亚新南威尔大学士机械制造工程学院，澳大利亚悉尼，新南威尔士2052，澳大利亚）

摘要： 水润滑平面轴承在运行中会经历边界润滑和混合润滑状态。乏油状态会引起温度升高，进而影响零部件的性能。超高分子量聚乙烯（UHMWPE）被广泛应用于这些领域，但是温度对其机械性能与摩擦性能的影响还没有明确的评价关系。本文对UHMWPE在温度从20℃从60℃的范围内的耐磨性与硬度进行了评价。研究发现在此温度变化区间内UHMWPE的硬度与耐磨性大幅度下降。当温度从20℃变化到50℃，磨损率增加了94.8%。当温度升高时，耐磨性比硬度下降的更快。当温度为40℃，硬度值低于4.12 (Hv_0.3)时，硬度与磨损率的相关性较低。随着温度升高，塑性变形与粘着现象更加明显。

关键词：硬度；平面轴承；摩擦学系统；超高分子量聚乙烯；磨损

引言

超高分子量聚乙烯材料零件被广泛应用于众多领域，包括工业领域的水润滑轴承^[1-3]。这些零件很可能在边界/混合润滑状态条件下运行，在运行过程中使表面温度与摩擦增加，加剧了磨损^[3-5]。水润滑轴承在运转时其表面平均温度为40℃，其表面温度也可能会达到60℃^[6,7]。以超高分子量聚乙烯为材料的水润滑轴承与其他塑料相比，在润滑试验的条件下拥有更好的摩擦性能^[3]，然而，超高分子量聚乙烯材料的零件在不同温度下的摩擦性能与机械性能如何变化还没有得到明确研究。事实上，零件的直接接触部分经历了边界/混合润滑^[8]，这意味着零件在干摩擦条件下的磨损试验对于理解材料在极端乏油状态下的性能是重要的。

了解温度对超高分子量聚乙烯部件机械性能的影响对于材料性能的预测与提升以及磨损性能的提升具有重要作用。Kurtz^[9]等报导超高分子量聚乙烯机械性能在很小的温度变化范围内会明显下降（20℃-37℃）。虽然硬度被视为评价材料磨损特征的重要指标^[10-12]，但仍不清楚在不同温度下材料硬度以及磨损率的变化。

本文研究了不同温度下超高分子量聚乙烯材料硬度与磨损率的变化。通定量分析在不同温度下材料的硬度与磨损率是具有相关性的，并对磨损表面进行定性分析，这可以为涉及到表面降解以及随着温度升高表面机制的变化过程提供依据。

方法

2.1 试样准备

直径为30mm，厚度为7mm的超高分子量聚乙烯试样使用抛光机进行抛光，其表面粗糙度达到0.1-0.2mu;m，试验前试样在乙醇用超声波清洗10min。抛光后的表面使用一种由泰勒·霍布森制造的“Talysurf 50”进行定量分析。据报道316不锈钢表面粗糙度在0.2-0.4mu;m之间。

2.2 硬度测量

在20℃到60℃之间对超高分子量聚乙烯进行表面硬度测量。试样均匀加热到70℃然后放到Buehler硬度测试台并加载0.3kg持续5s。使用精确度为0.1℃的热电偶对温度进行测量，试验误差为1℃。测量试样顶部表面并且距离顶部表面4mm处加工出1.6mm深度的空洞，将热电偶放入其中（图1）。通过测量试样两个不同位置的温度，可以预测加热温度在试样表面分布的均匀性。316不锈钢在室温下测量值是193Hv₃₀。

图1 硬度测量装置示意图

2.3 磨损试验条件

磨损试验在一个带有加热单元的摩擦试验机上进行（图2a）。超高分子量聚乙烯与316不锈钢球在往复试验机对磨。本试验运行参数中频率为1.5HZ，速度为60mm/s^[13,15,16]。测试时间为5h，载荷为6.5N，滑行距离为20mm。预计循环次数为3万次。试验在室温到50℃（20℃，30℃，40℃和50℃）之间以及干摩擦条件下进行。使用红外相机对试样温度进行测量，如图2b所示。试验测定聚合物的发射率为εfrac14;0.74。相机测定的温度与位于表面的热电偶以及铝带的温度保持一致。

图2 测试条件描述：（a）磨损试验装置示意图；（b）40℃时试样的红外图像

2.4 磨损量测量

使用激光扫描显微镜对磨痕体积进行测量，该显微镜由KEYENCE制造，VKX210系列，带有20倍放大率物镜。磨痕的宽度在两张重叠率为15%的图片拼接后得到（图3）。Baena和Peng也描述了成像装配的这一过程^[17]。通过使用VK-9700系列分析软件对磨痕图片进行处理得到磨损量。在试样表面的三个不同位置测量磨痕用来计算磨损率，磨损率通过磨损量与滑行距离（1200米）与载荷（6.5N）的乘积的比值得到^[18]。在不同温度下的表面磨痕使用扫描电镜（S-3400型，日立制造）进行测量以评判其磨损形貌。

图3 使用LSM图像分析方法，对磨损量进行定量分析；（a）和（b）是磨痕在500mu;m尺寸下的LSM图像；（c）是（a）和（b）尺寸为500mu;m长900mu;m宽的组合图；（d）磨痕的横截面图

2.5 标准差分析

利用单因素方差分析评价不同温度下各因素均值的差异性（磨损率、硬度和硬度变化斜率）。首先，评估残差和残差的正态分布是根据ANOVA模型的假设^[19]。如果残差分布不符合ANOVA模型，那么需要进行数据转换。Tukey方法用来评判各组均值的差异性。统计条件如样本大小（n）为20，p值为0.05，置信区间(C.I)为95%，功率(1-b)值为0.9。

3结果

3.1随着温度升高超高分子量聚乙烯的硬度变化

如2.2节所述，在不同温度下对超高分子量聚乙烯进行硬度测量。如图4的结果所示，可以看出试样硬度从室温到60℃产生了大幅度的下降（大约30%） ，也可以注意到试样硬度变化过程可以由硬度斜率变化分为两个阶段，如图4所示，并且在3.3节中进行统计学分析。当温度从室温增长至40℃，第一阶段每摄氏度的硬度下降率最大（大约0.0492Hv/℃） 。在此温度区间内，硬度下降率总计为0.98Hv。第二阶段的硬度下降率最低。这个阶段温度从40℃变化至60℃，试样硬度下降了0.57Hv（硬度下降率为0.0283Hv/℃）。

图4 使用比勒硬度测试装置对硬度随温度变化进行定量分析

3.2 随着温度升高试样的摩擦学性能

对购买的超高分子量聚乙烯在不同温度下开展摩擦磨损试验去研究温度对其磨损率的影响。如2.3节描述试验温度选择为从室温变化至50℃。在此温度区间内，试样磨损率增加了大约95%。如图5所示，在很小的温度变化区间内，磨损率突然增加，从30℃时磨损率增加10%到40℃时的74%。50℃时的磨损率大约为室温下的2倍。

随着温度变化摩擦系数明显变大，这种变化在试验开始阶段更为明显。虽然随着温度升高，摩擦系数逐渐升高，但最后摩擦系数值收敛至相同的值（图6）。

图5 超高分子量聚乙烯在不同温度下的磨损率（从20℃-50℃）

图6 不同温度下的摩擦系数

3.3 统计学分析

采用单因素方差分析对均值差异进行分析。单因素方差模型是基于残差与方差都是均匀分配的假设^[19]。为了满足这些条件，要进行数据转换^[17]。图7为利用自然对数函数对磨损率数据转换前后残差分布。通过比较图7（a和b）所示的正态分布，转换后的数据与未转换的数据保持线性一致。这种方法对均匀分布的拟合值有所改进。对硬度与两个阶段的硬度斜率也使用了相同的数据处理方法(图4)。可以发现不需要进行数据转换，因此，对硬度值和硬度斜率进行单因素方差分析不需要进行数据转换。

表1为在20℃到60℃范围内试样在不同温度下的硬度降低率的汇总结果。在此温度区间内使用p值为0.05的单因素方差方法可以确定硬度值发生了明显的变化，这可以利用Tukey测试方法表示出来。使用相同的方法对在不同温度下的硬度斜率进行分析。两个阶段的硬度斜率值的差异性利用p值le;0.05进行表征（表2所示）。

图7 试验数据的残差分析；（a）原始数据残差；（b）使用Ln函数的转换数据

表1 表示硬度以及硬度下降率在不同温度区间（20℃-60℃）的统计结果以及显著性差异

（p值＜0.05）

a 不同的字母代表显著性差异

表2 图4中两个温度区间内的斜率值的显著性差异统计结果

表3 在20℃到50℃每间隔10℃的磨损率显著性差异统计结果

a 不同的字母代表不同的显著性差异

如表3所示，试样在20℃到50℃区间的磨损率的增长情况进行统计分析。Tukey测试方法反映出在两个温度区间内（20℃-40℃），（40℃-50℃）试样的均值明显不同。磨损率从30℃到40℃突然增加，而硬度值分别处于4.6到4.12Hv_0.3之间，这说明硬度值在低于4.12Hv_0.3时加剧了超高分子量聚乙烯部件的磨损。

通过对表1和表3的结果可以看出，温度对硬度与磨损值产生了很大的影响，并且磨损所受的影响程度更大。对硬度与磨损率进行相关性分析。使用皮尔逊相关分析，硬度与磨损率值的相关系数为0.777。图8展示出当置信区间为95%时，当硬度下降，离差变大，尤其是当硬度低于4.22Hv时。这表明，当硬度值下降至一个特定值时，其他因素对其摩擦性能产生主要影响，而硬度对摩擦性能的影响变弱。

图8 不同温度下超高分子量聚乙烯硬度与磨损率的相关性

3.4 表征磨痕

为了进一步了解所可能涉及的磨损过程与磨损机制，使用SEM在亚微纳米级别对表面参数进行表征。如磨擦以及塑性流动等特性利用这种方法进行表征。图9为两种不同放大倍数（100倍和500倍）SEM图片。100倍图片可以粗略表征磨痕的特征参数，而500倍图片可以表征更多磨损机制与磨损程度的细节信息。对偶件的表面磨损图片被用来分析温度对在磨损过程中普遍存在的粘着现象（图10）。

4 讨论

本文研究了超高分子量聚乙烯在不同温度下的机械性能稳定性与摩擦性能。研究发现随着温度升高硬度下降。当温度从室温升高至60℃，硬度值大约下降了30%。如3.1节描述分析，在此温度区间内，硬度改变被分为两个阶段。两个阶段斜率的差异性利用单因素方差进行分析。发现第一阶段与第二阶段斜率是明显不同的，第一阶段硬度值下降更为明显（从室温到40℃），大约是第二阶段硬度下降率的两倍（表2）。这个结果反映出在室温到60℃范围内试样硬度值对温度的敏感性会随着温度的升高而改变。Kurtz等人通过对GUR1050级超高分子量聚乙烯进行应变强度测试发现这种材料的机械性能会在很小温度范围内变化（20℃到37℃），结果表明弹性模量以及屈服强度大约分别减少22%和19%。

研究了超高分子量聚乙烯试样在室温到50℃范围内磨损率受温度的影响效果（2.3节所示）。例如在40℃，相比于室温时磨损率增加了74.1%。这些结果表示试样的硬度与磨损率在很小的温度区间内（室温到40℃）受到了明显的影响，并且摩擦性能受到了更大的影响。试样磨损率在30℃至40℃之间突然增加，并且在50℃的磨损率增量几乎是室温时的2倍（如表3所示）。这表明磨损在第二阶段是更严重的（40℃-50℃），这说明第二阶段温度的升高会引起材料大量损失，因此超高分子聚乙烯材料部件的寿命大幅度降低。水润滑轴承在运行时其表面温度可以达到40℃^[4]，很有可能出现第二阶段硬度以及摩擦性能恶化的情况。虽然随着温度的变化摩擦系数升高，但摩擦系数没有出现明显变化。

试样的一些参数随着温度的变化变得更加稳定，这说明在超高分子量聚乙烯基体中添加填料会提高其机械性能与摩擦性能的稳定性。碳纳米管已经添加至超高分子量聚乙烯基体中来提高其摩擦性能^[20-23]。然而，随着温度变化填料对材料机械性能与力学性能的稳定性影响尚不清楚。

随着温度的升高，磨痕更加严重（图9和图10）。塑性变形并不代表材料的损失，但循环性的塑性变形将会通过产生的磨粒使磨损量增加^[24]。在不断地循环运动过程中，塑性变形逐渐增加直至达到应力屈服极限，最后，磨损碎片产生^[25]。随着温度的升高，可以发现大的磨粒（图10）。通过Archard磨损模型，如果运行工况（例如负载以及润滑介质）相同或相近，硬度下降时时材料磨损量将会增加。本文中的研究结果表明材料的磨损量的明显增加与温度变化以及硬度下降存在相关性。除了塑性变形以及磨粒磨损，粘着现象也会促进磨损量的增加。虽然粘着现象在磨痕上面不是轻易的观察到，但是可以在不锈钢球的表面看到。图10显示出在室温以及50℃时两种不同温度下的不锈钢球表面，两种表面拥有像粘着以

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