基于數(shù)字化技術(shù)的UHMWPE材料摩擦學(xué)特性研究.pdf

1、以超高分子量聚乙烯(UHMWPE)為代表的熱塑性工程塑料在生物醫(yī)學(xué)、微電子機(jī)械、海洋工程等高新科技領(lǐng)域以及糧食加工、紡織機(jī)械、化工機(jī)械等行業(yè)中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用，成為極具應(yīng)用前景的新型摩擦學(xué)材料。但是，在實(shí)際使用過(guò)程中，UHMWPE等熱塑性工程塑料的摩擦學(xué)性能還存在一些難以克服的不足，最具代表性的問(wèn)題是對(duì)摩擦溫升很敏感，其材料強(qiáng)度，變形與蠕變性能都受到溫度的影響。盡管如此，在某些工況條件下，由于系統(tǒng)對(duì)這些材料除了摩擦學(xué)性能以外的其它

2、性能的特殊要求，使得它們目前還具有不可替代性，因此，熱塑性塑料的摩擦學(xué)問(wèn)題已經(jīng)成為具有重大科學(xué)意義的基礎(chǔ)研究課題。 受到國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(50175041)的資助，本文主要開(kāi)展了以下幾個(gè)方面的研究工作： (1)首先對(duì)研究背景和意義進(jìn)行了論述，明確了解決問(wèn)題的基本途徑。 (2)基于宏觀地表和微觀真實(shí)表面之間的內(nèi)在相似性，將規(guī)范的三維表面描述模型DEM方法引入摩擦學(xué)，實(shí)現(xiàn)了DEM方法對(duì)物體真實(shí)表面形貌的規(guī)范描述，

3、為微觀真實(shí)粗糙表面幾何形貌描述提供了一種新的手段。根據(jù)科學(xué)計(jì)算可視化原理，從二維數(shù)字化圖像識(shí)別技術(shù)入手，開(kāi)發(fā)了由二維高度圖像獲得到三維表面的高度數(shù)據(jù)的計(jì)算程序，解決了三維模型高度數(shù)據(jù)獲取的問(wèn)題，并經(jīng)過(guò)對(duì)AFM，1hylor Hobson等實(shí)測(cè)表面的重構(gòu)驗(yàn)證，確定了該方法的實(shí)用性和準(zhǔn)確性。 (3)針對(duì)一般接觸模型仿真計(jì)算中使用參數(shù)比較簡(jiǎn)單，不適用UHMWPE等熱塑性塑料摩擦接觸研究的問(wèn)題，專(zhuān)門(mén)測(cè)定了常溫和變溫條件下UHMWPE真實(shí)

4、變形規(guī)律——真實(shí)應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)和溫度對(duì)強(qiáng)度影響曲線(xiàn)，并將其應(yīng)用到基于真實(shí)壓縮變形規(guī)律柱狀接觸模型的建模，使得模型更準(zhǔn)確地反映了UHMWPE材料摩擦接觸過(guò)程中的壓縮變形和摩擦熱影響規(guī)律，更具有實(shí)用價(jià)值。提出了柱狀模型的接觸計(jì)算方法和計(jì)算流程，并編制了相應(yīng)的計(jì)算軟件SimConW，用于UHMWPE表面的動(dòng)態(tài)承載能力和摩擦功率分布的量化評(píng)價(jià)，為UHMWPE材料表面形貌和表面織構(gòu)的摩擦學(xué)評(píng)價(jià)奠定了基礎(chǔ)。 (4)研制了用于評(píng)價(jià)摩擦熱對(duì)UHM

5、WPE的摩擦學(xué)性能影響的準(zhǔn)絕熱試驗(yàn)裝置。應(yīng)用元胞自動(dòng)機(jī)對(duì)摩擦表面溫度分布隨時(shí)間的變化情況進(jìn)行了模擬計(jì)算，尋找影響摩擦溫升大小及分布的原因。結(jié)合對(duì)摩擦系數(shù)和溫升的同步測(cè)量以及對(duì)微觀表面形貌的觀測(cè)，系統(tǒng)地研究了溫升對(duì)摩擦系數(shù)、磨損機(jī)理的影響。 (5)為滿(mǎn)足摩擦學(xué)表面設(shè)計(jì)對(duì)微米級(jí)表面織構(gòu)設(shè)計(jì)和制備方法的需求，嘗試設(shè)計(jì)了幾種微米級(jí)表面織構(gòu)。通過(guò)基于SimConW的接觸計(jì)算分析，提出了摩擦學(xué)表面織構(gòu)的設(shè)計(jì)建議。開(kāi)發(fā)了經(jīng)濟(jì)可行的人造表面織構(gòu)