超高分子量聚乙烯（UHMWPE）具優(yōu)異自潤(rùn)滑性、耐腐蝕性與抗沖擊性，在航空航天、精密機(jī)械領(lǐng)域應(yīng)用前景廣，但低硬度、抗磨粒磨損差的缺陷限制極端工況適配。表面織構(gòu)改性與SiC 填料復(fù)合是提升其摩擦學(xué)性能的關(guān)鍵路徑，微觀形貌與性能關(guān)聯(lián)觀測(cè)需高精度表征技術(shù)。光子灣科技超景深顯微鏡憑高分辨率原位觀測(cè)能力，精準(zhǔn)捕捉材料表面織構(gòu)與磨損特征，提供核心數(shù)據(jù)支撐。本文基于三維輪廓表征技術(shù)，探究織構(gòu)化 UHMWPE/SiC 復(fù)合材料制備工藝與摩擦學(xué)性能，為高端制造耐磨材料研發(fā)提供參考。

#Photonixbay.

實(shí)驗(yàn)材料、儀器與方法

實(shí)驗(yàn)材料：超高分子量聚乙烯UHMWPE、納米SiC（純度99.5%）、硅烷偶聯(lián)劑 KH-560（分析純，改善 SiC 分散性），輔助試劑為去離子水、無(wú)水乙醇（均為分析純）。

核心儀器：超景深顯微鏡、納秒激光打標(biāo)機(jī)、往復(fù)式摩擦磨損實(shí)驗(yàn)機(jī)、接觸角測(cè)量?jī)x。

測(cè)試方法：超景深顯微鏡量化織構(gòu)間距（100-900μm）、表面粗糙度；摩擦實(shí)驗(yàn)設(shè)載荷80N（低載）/160N（高載）、頻率 2-6Hz（對(duì)應(yīng)速度 1.2-3.6m/min）、干摩擦 / 水潤(rùn)滑兩種狀態(tài)，磨損量通過(guò)電子天平（HC1004，精度 0.1mg）測(cè)摩擦前后質(zhì)量差（超聲清洗后 60℃烘干 6h）。

#Photonixbay.

UHMWPE/SiC復(fù)合材料制備及織構(gòu)加工

UHMWPE/SiC 復(fù)合材料制備流程圖

UHMWPE/SiC 復(fù)合材料制備：SiC 經(jīng) KH-560（1:4 乙醇稀釋）改性，與 UHMWPE 按質(zhì)量比 100/0-97/3 混合（10000r/min 攪拌 3min），210℃預(yù)熱后 10MPa 熱壓 30min，脫模得 150×150×4mm 試樣，切割為 20×30×4mm（S0-S3）。超景深顯微鏡與密度測(cè)試顯示：隨SiC 含量增加，密度從 0.938g/cm3（S0）升至 0.968g/cm3（S3），紅外光譜僅出現(xiàn) UHMWPE 的 - CH?特征峰，證明 SiC 與 UHMWPE 為物理混合，不改變分子結(jié)構(gòu)。

表面織構(gòu)制備：選1% SiC 試樣（S1），激光刻蝕網(wǎng)格織構(gòu)（間距 100-900μm、次數(shù) 1/3 次，T100-T900）。超景深顯微鏡觀測(cè)：刻蝕致表面撕裂脫落，T100 織構(gòu)重疊、T900 規(guī)整；潤(rùn)濕性測(cè)試中，T0 接觸角 87.1°，刻蝕后均 > 90°，T100-3 接觸角 135.5°。

#Photonixbay.

光滑 UHMWPE/SiC 復(fù)合材料摩擦學(xué)性能

光滑試樣磨損量

摩擦系數(shù)：高速（6Hz）時(shí) SiC 降低高載摩擦系數(shù)，含量影響小；低速（2Hz）時(shí)隨 SiC 先降后升，低載 S1（0.075）、高載 S2（0.074）最小，S3 因團(tuán)聚回升至 0.108。

磨損量：隨SiC 先減后升，S1 磨損量最小 —— 高載高速干摩擦 2mg（降 96.8%）、水潤(rùn)滑 1.1mg（降 84.5%）。

磨損機(jī)理：超景深顯微鏡觀測(cè)到，高速高載干摩擦S0表面熔融（粘著磨損）；低速低載S1有淺犁溝（粘著+ 磨粒 + 疲勞磨損）。

#Photonixbay.

織構(gòu)化 UHMWPE/SiC 復(fù)合材料摩擦學(xué)性能

磨損樣品表面三維輪廓圖：(a) 160N、干摩擦工況，樣品刻蝕 1 次； (b) 160N、干摩擦工況，樣品刻蝕 3 次； (c) 160N、水潤(rùn)滑工況，樣品刻蝕 1 次；(d) 160N、水潤(rùn)滑工況，樣品刻蝕 3 次；(1) 樣品 T100；(2) 樣品 T300；(3) 樣品 T500；(4) 樣品 T700；(5) 樣品 T900

干摩擦：摩擦系數(shù)隨間距先降后升再降，T100 最小（0.07）；磨損量 T900 最小（0.1mg，降 90.9%），T100 達(dá) 3.2mg（增 180%）。

水潤(rùn)滑：T300/T500 摩擦系數(shù)最穩(wěn)定（0.020-0.026），T500 最小；磨損量 T300 最小（0.2mg，降 77.8%）。超景深顯微鏡顯示，水潤(rùn)滑下織構(gòu)保留更完整，可形成流體動(dòng)壓效應(yīng)，磨損機(jī)理為粘著+ 疲勞磨損，織構(gòu)有效抑制磨粒磨損。

綜上，本研究證實(shí)：在不同工況下，SiC含量對(duì)UHMWPE摩擦學(xué)性能的影響規(guī)律不同，1% SiC 復(fù)合 + 織構(gòu)化工藝（干摩擦900μm 間距、水潤(rùn)滑 300-500μm 間距）可最優(yōu)提升UHMWPE 摩擦學(xué)性能，為耐磨材料設(shè)計(jì)提供微觀數(shù)據(jù)支撐。

#Photonixbay.

光子灣超景深顯微鏡

光子灣超景深顯微鏡用于對(duì)各種精密器件及材料表面進(jìn)行亞微米級(jí)三維輪廓測(cè)量的檢測(cè)儀器。與傳統(tǒng)的光學(xué)顯微鏡不同，該設(shè)備擁有更大的景深、更廣的視野、更高的放大倍率、更全的觀測(cè)角度，足以應(yīng)對(duì)各種極具挑戰(zhàn)的觀測(cè)場(chǎng)景。

超清數(shù)字成像器件，3840*2160 800W像素超高速實(shí)時(shí)傳輸

多種HDR技術(shù)結(jié)合運(yùn)用，實(shí)現(xiàn)亮區(qū)暗區(qū)真實(shí)呈現(xiàn)

先進(jìn)的遠(yuǎn)心光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，保證真彩與銳利、低畸變圖像質(zhì)量

光子灣超景深顯微鏡以大景深、三位量化、無(wú)損高效的特點(diǎn)，可精準(zhǔn)觀測(cè)被攝物體的三維輪廓，為工藝優(yōu)化提供數(shù)據(jù)支撐，是提升工藝質(zhì)量從經(jīng)驗(yàn)判斷到數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的關(guān)鍵一步。未來(lái)，光子灣科技將持續(xù)深化對(duì)超景深顯微鏡技術(shù)的研究與應(yīng)用，助力半導(dǎo)體、航空航天等高端制造領(lǐng)域的材料研發(fā)，深化織構(gòu)- 摩擦學(xué)性能關(guān)聯(lián)機(jī)制研究。

#超景深顯微鏡 #三維成像 #3d顯微鏡 #表面粗糙度 #三維輪廓

感謝您本次的閱讀光子灣將持續(xù)為您奉上更多優(yōu)質(zhì)內(nèi)容，與您共同進(jìn)步。

原文參考：《織構(gòu)化UHMWPE_SiC復(fù)合材料的制備及摩擦學(xué)性能研究》

*特別聲明：本公眾號(hào)所發(fā)布的原創(chuàng)及轉(zhuǎn)載文章，僅用于學(xué)術(shù)分享和傳遞行業(yè)相關(guān)信息。未經(jīng)授權(quán)，不得抄襲、篡改、引用、轉(zhuǎn)載等侵犯本公眾號(hào)相關(guān)權(quán)益的行為。內(nèi)容僅供參考，如涉及版權(quán)問(wèn)題，敬請(qǐng)聯(lián)系，我們將在第一時(shí)間核實(shí)并處理。