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1、第25卷第6期摩擦学学报Vol25,No62005年11月TRIBOLOGYNov,2005摩擦热对UHMWPE/钢摩擦副摩擦性能的影响1121秦襄培,李健,MENGHua,刘洪涛(1.武汉材料保护研究所,湖北武汉430030;2.香港城市大学机械工程及工程管理系,香港九龙)摘要:通过控制销盘试验中的散热条件测定了摩擦热对UHMWPE/钢摩擦副摩擦性能的影响;利用统计学相关系数理论对摩擦系数和表层温度的相关性进行定量比较,发现不良散热条件使其相关系数显著增大;根据TaylorHobson轮廓仪测量试样表面形貌三维初始表面高度,尝试用元胞自动机方法进行了摩擦表面温度分布模拟计算,并结合磨损
2、表面形貌分析探讨摩擦热对UHMWPE磨损机理的影响.结果表明:摩擦系统的热传导条件严重影响UHMWPE的摩擦性能;摩擦热效应使得局部接触表面温度超过熔点,摩擦热的积累效应使UHMWPE的磨损机理由粘着磨损变为熔融剪切磨损;在聚合物材料的摩擦试验及应用研究中必须考虑摩擦热的影响.关键词:摩擦热;UHMWPE;摩擦性能;元胞自动机中图分类号:TH117.3文献标识码:A文章编号:1004-0595(2005)06-0550-05超高分子量聚乙烯(UHMWPE)作为1种综合为了测量聚合物近表层的平均温度,在性能优良的聚合物材料,在人工关节中得到广泛应UHMWPE销试样底部钻1个孔,孔径为1.5
3、mm,孔用.在改善其使用性能的研究中,摩擦热对UHMP-的横截面积仅占销试样横截面积的2%.采用特制的[1～5]WE的影响也得到日益重视.在通常的摩擦磨损试验中,由于缺少专门的试验装置,摩擦热一般通过偶件金属试样及试验机金属部件随机地传导或以边[6～8]界空气对流方式散失,这使得摩擦热对UHMW-PE摩擦磨损性能的影响难以清晰、准确地反映出来.为此本文作者设计了一套可控制散热条件的试验装置,通过在试样和试验机直接接触部分安装隔热层,在间接接触部分加装隔热罩的方法控制摩擦热的散Fig1Sketchmapoftestingequipment失,称之为准绝热装置,用于研究摩擦热对聚合物材图1试
4、验装置示意图料摩擦性能的影响,并结合表面形貌和温度分布以及磨损表面分析探讨UHMWPE材料的摩擦热影响规铜-康铜热电偶,单根导线直径0.2mm,其热容非常律及相关问题.小,热电偶探头距接触表面2mm,能够对温度变化做出快速反应.1实验部分采用TaylorHobson型表面轮廓仪测量准绝热装置如图1所示,整个装置安装在德国UHMWPE销试样的原始微观三维表面形貌,轮廓仪SST-ST型销-盘式摩擦磨损试验机上.试样为模压数据分辨率0.25um,采样速度0.50mm/s,用于UHMWPE材料,直径为10mm,高为20mm;偶件UHMWPE摩擦热分布仿真计算.#为45钢(其表面粗糙度Ra=0.1
5、m).试验比压为分别在准绝热和常规散热条件下进行摩擦磨损1.85MPa,线速度0.42m/s,试验周期60min,试验对比试验.用扫描电子显微镜(SEM)观察分析磨损环境温度为24℃.表面形貌.基金项目:国家自然科学基金资助项目(50175041);香港城市大学基金资助项目(7001429).收稿日期:2005-01-31;修回日期:2005-04-22/联系人李健,e-mail:lijianwuhan@tom.com.作者简介:李健,男,1957年生,研究员,博士生导师,目前主要从事材料摩擦学研究.第6期秦襄培等:摩擦热对UHMWPE/钢摩擦副摩擦性能的影响551移,近表层的流动层厚
6、度为1.12mm.聚合物近表层2结果与讨论软化,发生塑性流动.塑性流动的严重程度随着与摩2.1摩擦系数与表层温度的相关性擦表面距离的增加而减小,也反映出聚合物热传导性2种条件下摩擦系数和表层温度测试结果如图2能不佳而形成试样温度的梯度分布.摩擦热对表面接所示.可见:在初始阶段(前300s),2种试验条件下的触层的影响最大,摩擦热的反应主要集中在近表面层.而常规散热条件下试样却没有明显的变形现象.2.2表面温度分布的模拟计算由于试样接触表面是非光滑粗糙表面,接触区域具有随机性;同时,由于摩擦热的产生和传递随时间变化,接触表面温度处于非周期性变化状态,用常规热传导方法很难处理这种边界不规则问
7、题.为了研究非光滑表面的摩擦热影响,我们在粗糙表面数字化表[9～12]征的基础上尝试使用元胞自动机(CA)方法进行粗糙摩擦表面温度分布计算.元胞自动机(CellularAutomaton,简称CA,也称点格自动机等)是1种时间和空间都离散的动力系统,为近年来被广泛用于研究系统整体行为与复杂现象的有效模型工具.用表面轮廓仪对UHMWPE试样表面进行三维Fig2Compareoffrictioncoefficient,nearsurfa
