“ 改性α-磷酸锆的G-ZrP质量分数为2%，对PE-UHMW 复合材料的摩擦磨损性能表现。”

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摘要

    实验使用改性二维α-磷酸锆(α-ZrP)填充以期改善PE-UHMW复合材料的摩擦磨损性能。首先采用三羟甲基氨基甲烷对α-ZrP（α-磷酸锆）进行插层剥离，然后用乙烯基三乙氧基硅烷对α-ZrP进行表面接枝修饰改性，以提高α-ZrP与PE-UHMW基体间的界面相互作用。从而制作出了改性α-磷酸锆的G-ZrP（G-磷酸锆）。

    在此基础上，实验测试了不同 G-ZrP（G-磷酸锆） 含量的 G-ZrP/PE-UHMW 复合材料试样的摩擦磨损性能。结果表明，G-ZrP（G-磷酸锆）与 PEUHMW基体之间形成锚定黏结结构。当G-ZrP（G-磷酸锆）质量分数为2%时，G-ZrP/PE-UHMW复合材料试样的摩擦系数和磨损率分别为0.172 0和3.594×10-6mm3/(N·m)，分别比纯PE-UHMW试样降低约9.0%和47.1%；磨痕深度为2 μm左右，磨痕*浅，相比纯PE-UHMW样品(磨痕深度8 μm左右)减少了约75%。在复合材料的摩擦过程中，G-ZrP（G-磷酸锆）在摩擦表面积聚产生了良好的自润滑介层作用，不仅有助于降低摩擦副间的直接接触，还能通过层间滑动降低摩擦系数。

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实验材料

1. PE-UHMW：SWG-03，平均分子量为150万2. α-ZrP（α-磷酸锆）：纯度为99%，中值粒径(D50)为2.1 μm3. 三羟甲基氨基甲烷：分析纯4. 乙烯基三乙氧基硅烷(C8H18O3Si)：纯度97%5. 乙醇(CH3CH2OH)：99%，分析纯

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实验过程

    使用剥离态的α-ZrP（α-磷酸锆）和乙醇、乙烯基三乙氧基硅烷获取质量分数不同的G-ZrP（0%、1%、2%、3%、5%）与PE-UHMW混合粉末，α-ZrP (质量分数为1%)/ PE-UHMW 混合粉末、PE-UHMW 粉末分别经预混合后放入密炼机中于205 ℃，60 r/min条件下密炼5min。密炼后用平板硫化机进行成型，先于 205 ℃下使用20 MPa压力加压6 min，然后在常温下使用20 MPa 压 力 加 压 6 min。脱 模 后 即 得 G-ZrP/PEUHMW复合材料试样、α-ZrP/PE-UHMW复合材料试样与PE-UHMW试样。    使用摩擦磨损仪进行摩擦磨损试验，试验前将试样用4000目砂纸手动抛光。该试验采用球-盘点接触模式，上摩擦副的试球是直径10 mm的GCr15钢球，下摩擦副为直径25.0 mm的待测试样。试验在室内大气条件下进行，相对湿度在50%至70%之间，温度控制在(25±2) ℃。试验载荷为 10 N，频率为 5 Hz，往复振幅为 6 mm，总测试时间为 60 min。每个试样在相同条件下重复测试3次。摩擦磨损试验完成后，使用白光干涉仪来观察样品表面的磨痕形貌并计算磨损体积。磨损体积取3次统计结果的平均值。

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实验结果

1.改性前后的α-ZrP磷酸锆样品在SEM\TEM及EDS能谱图像表现不同：α-ZrP磷酸锆样品呈现出薄片状堆叠结构，表面光滑。G-ZrP（G-磷酸锆）样品经过剥离和有机改性后堆叠程度减弱，剥离成分散的薄片。并且可以发现G-ZrP（G-磷酸锆）包含乙烯基三乙氧基硅烷的特征元素。

2.α-ZrP（α-磷酸锆）/PE-UHMW 与 G-ZrP（G-磷酸锆）/PE-UHMW 复合材料试样断面SEM照片如图3所示。由图3a可以看出，α-ZrP 片状结构与 PE-UHMW 基体之间的微观结合差，α-ZrP片散落在基体中，与PE-UHMW基体有明显的空隙，未发现明显的物理锚定连接。图3b显示G-ZrP（G-磷酸锆）片状结构与PE-UHMW基体融为一体，结合良好，可观察许多明显的锚定黏结结构。这归因于乙烯基三乙氧基硅烷偶联剂分子发挥了分子桥作用，形成无机相/硅烷偶联剂/有机相的结合状态，改善了填料与PE-UHMW聚合物基体之间的界面相互作用，将性质悬殊的 ZrP(磷酸锆）及 PE-UHMW 两种材料牢固地连接在一起。

3.图a及图b分别显示了PE-UHMW试样、α-ZrP（α-磷酸锆）/PE-UHMW与G-ZrP（G-磷酸锆）/PE-UHMW复合材料试样摩擦系数随时间变化的曲线及平均摩擦系数。    G-ZrP （G-磷酸锆）质量分数为1%，2%，3%和5%的G-ZrP/PE-UHMW试样的摩擦系数分别为0.1771，0.172 0，0.177 7，0.191 5。即随着G-ZrP含量的增加，摩擦系数呈现出先减小后增大的趋势。当G-ZrP（G-磷酸锆）质量分数为2%时，有*小的摩擦系数 0.1720，相比纯 PE-UHMW 试样降低 9.0%。可 以 发 现 G-ZrP （G-磷酸锆）质 量 分 数 为 2% 的 G-ZrP/PEUHMW试样磨痕表面无明显裂纹、撕裂及犁沟等缺陷，磨痕表面均匀分布Zr，P，O元素，说明适量的G-ZrP（G-磷酸锆）积聚在摩擦表面并产生了自润滑介层作用，减少摩擦副之间的直接接触，又通过其自身的层间滑动效应降低了摩擦表面的摩擦系数。

4.随着 G-ZrP 含量的增加，磨损体积与磨损率呈现出先减小后增大的趋势。适量G-ZrP的加入可以起到很好地起到降低磨损量的作用，特别是当G-ZrP质量分数为2%时，磨损率达到*小，相比PE-UHMW 试样降低 47.1%。然而，过量的G-ZrP 与 PEUHMW基体材料的黏附性下降，复合材料内部结构缺陷增加。导致G-ZrP随摩擦而产生的磨损碎片逐步增加，且从基体材料中剥离的碎片数量也增多，从而加剧刮擦摩擦副表面，同步破坏自润滑介层作用，消减G-ZrP材料的自润滑效果。

过量的G-ZrP（G-磷酸锆）粒子甚至会剥落产生磨屑碎片，破坏原有的自润滑介层作用，导致PE-UHMW复合材料表面进一步产生挤压、磨削等作用，使得摩擦表面被磨损而产生明显的断裂裂纹。因此，当G-ZrP（G-磷酸锆）质量分数为2%，表现效果。

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