鄧如生黃安民朱志勇姜穩定劉銀
中國南車株洲時代新材料科技股份****，株洲 412007
摘要：本文介紹了兩種橋梁支座關鍵耐磨材料，即超高分子量聚乙烯（uhmwpe）複合材料和聚四氟乙烯（ptfe）材料的製備。並對其效能進行了詳細對比研究。
研究結果表明，經過改性uhmwpe複合材料比ptfe具有更為突出的綜合力學效能，特別是承載能力高、抗蠕變效能好、耐磨損效能突出，是高速鐵路、公路橋梁支座理想的耐磨材料。通過對uhmwpe複合材料磨損形貌表徵，**了磨損機理，指出了影響複合材料耐磨的關鍵因素。
關鍵詞：超高分子量聚乙烯；聚四氟乙烯；耐磨材料；橋梁支座；效能
近年來，我國高速鐵路發展突飛猛進，短短幾年間建成全球運營時速最快的客運專線，讓世人驚嘆。隨著列車設計時速越來越高，對列車執行的平穩性和對橋梁結構抗撓和抗扭剛度及過載、耐磨等安全性提出了更高要求[1]。橋梁支座不僅傳遞橋梁上部的荷載，還能調節上部結構和下部結構之間的相對位移，對高速列車的安全和舒適起著非常重要作用，因此，鐵道部規定，時速超過200km的高速鐵路橋樑需配置橋梁支座。
而橋梁支座耐磨材料是支座中至關重要的滑動部件，主要起著承載、摩擦作用，其質量直接影響橋梁支座的效能和使用壽命。這必然要求橋梁支座耐磨材料具有優異的承載能力、抗蠕變效能、自潤滑及耐磨等特性。
聚四氟乙烯(ptfe) 耐磨材料具有良好的自潤滑效能 ，我國上世紀七十年代以來採用ptfe作為公路、鐵路橋樑支座耐磨材料得到廣泛應用。但其存在設計承載能力偏低、活載位移速率偏小、易冷流[2-4]、磨損率偏高等缺點，難以滿足鐵路高速、過載的要求。超高分子量聚乙烯（uhmwpe）具有耐磨損、耐衝擊、耐低溫、自潤滑和不易粘附異物等優良效能[5]，在國外被稱為「神奇的塑料」。
本世紀初德國毛勒公司將超高分子量聚乙烯改性，進一步改善了超高分子量聚乙烯的抗蠕變和自潤滑特性，替代ptfe應用於高速鐵路及磁懸浮列車的橋梁支座上，以適應支座快速位移的需要。
超高分子量聚乙烯同時也具有成型加工困難、表面硬度低，機械強度不高，耐熱性差、導熱性差以及應力開裂等許多缺點。本課題組通過採用潤滑耐磨劑、奈米導熱劑共混改性以及化學交聯改性，製備了高強度、高承載、抗蠕變、耐熱性能好以及優異耐磨效能的改性超高分子量聚乙烯復合耐磨材料[6]，本**對其效能與ptfe材料進行了對比研究。
1 實驗部分
1.1 uhmwpe複合材料製備
取uhmwpe原料（分子量大於300萬）100份，潤滑耐磨劑（自製）3份，奈米導熱劑2份，有機交聯劑0.2份高速混合均勻後於15mpa、230±5℃加熱熔融3h，冷卻模壓定型為uhmwpe複合材料耐磨板（uhmwpe複合材料）。
1.2 ptfe材料製備
取ptfe細粉（粒徑＜50μm）於30mpa冷壓後，室溫靜置24h後於380±5℃恆溫燒結5h制得ptfe耐磨板材（ptfe材料）。
1.3 效能檢測
1.3.1蠕變率
將樣品加工成φ100*7 mm，使用圖1）所示的工裝，將樣品放入限位工裝後，對樣品勻速載入至90mpa（載入時間1min），記錄此時的厚度變化，同時再次將感測器置零，保持90mpa壓力記錄24小時樣品形變數，算出樣品厚度變化率即為蠕變率。
圖1 承載能力測試工裝示意圖
1.3.2 摩擦磨耗實驗
本**採用兩種摩擦磨耗實驗：幹摩擦和油脂摩擦。
幹摩擦試驗參照gb/t 5478-2008標準，採用h-22磨輪，載荷為1kg，連續磨4000r(轉速為60r/min)，考察摩擦試驗前後重量變化。
油脂摩擦採用雙剪試驗方法，參照參照《客運專線橋梁盆式橡膠支座暫行技術條件補充規定》和鐵路行業標準tb/t 2331-2004。uhmwpe複合材料與ptfe材料油脂摩擦實驗條件及工裝示意圖分別如表1和圖2 所示。
表1 uhmwpe複合材料與ptfe材料摩擦實驗測試條件
圖2 摩擦測試工裝示意圖
1.3.3 其它測試
其它測試均按國家或行業標準要求進行。
2 結果與討論
2.1 橋梁支座簡介
將改性超高分子量聚乙烯復合原材料通過模壓燒結即得耐磨板材，產品實物見圖3。耐磨板典型特點是一表面非常光滑，並帶有儲油的儲油坑，作用是利用光滑面和油脂降低摩擦係數，提高產品耐磨效能；而另外一面帶有一定紋路，相對較粗糙，目的是便於產品的安裝和固定。耐磨板材是盆式橡膠支座和球型支座等橋梁支座重要組成部分，圖4是盆式橡膠支座典型結構。
在該結構中 ，耐磨板起著兩個作用：一是利用其豎向剛度和彈性變形，向橋墩傳遞橋面的支承反力，承受垂直荷載及適應樑端轉動；二是通過耐磨材料與滑動板組成的摩擦副，利用其低摩擦係數，可使樑端能自由滑動，水平位移不受限制，保證了橋梁結構在活載、溫度變化、混凝土收縮和蠕變等因素作用下能自由變形。因此，耐磨材料在橋梁減振隔震、減少橋梁摩擦、提高橋梁支座使用壽命起了至關重要的作用。
圖3 uhmwpe復合耐磨產品
圖4 盆式橡膠支座結構圖
2.2 物理機械效能
將製備的uhmwpe複合材料及ptfe材料在相同測試條件下，按照相同檢測方法進行效能檢測，其物理機械效能見表1。從表1可以看出，uhmwpe複合材料密度小，材質輕，ptfe材料的密度是uhmwpe複合材料的2.3倍。
uhmwpe複合材料的斷裂伸長率為320%，稍低於ptfe材料，但uhmwpe複合材料的拉伸強度、彎曲強度、壓縮強度以及彈性模量均明顯要高於ptfe材料，尤其是uhmwpe複合材料的抗衝擊效能十分優異。。
表1 uhmwpe複合材料與ptfe材料物理機械效能
2.3 耐熱性能
純超高分子量聚乙烯耐熱溫度較低、熱變形溫度約45℃，低於ptfe材料熱變形溫度；導熱性能差，導熱係數約0.3 w/m*k，此極大限制了材料的應用。經過改性後的uhmwpe複合材料熱變形溫度有明顯提公升，達到58℃，與ptfe材料接近。
而且其導熱係數也提高近一倍，為替代ptfe材料應用於橋梁支座耐磨材料打破了瓶頸，也極大拓展了其在建築、工程機械等領域應用的可能。
表2 uhmwpe複合材料與ptfe材料耐熱性能
2.4 抗過載效能
本**採用蠕變率來表徵材料的承載能力。超高分子量聚乙烯、ptfe耐磨板在不同壓力下的蠕變率見圖5。從圖5看出，在承載壓力情況下，隨著時間增加，蠕變率明顯上公升，蠕變4h後，變化不大，材料蠕變效能基本趨於穩定；同時表明：
uhmwpe複合材料在90mpa和190mpa壓應力下的限位承載壓縮蠕變率均要明顯低於ptfe材料，其在90mpa壓應力下的形變數約為ptfe材料蠕變率的1/2，在190mpa壓應力下的形變數與ptfe材料在90mpa壓應力下的蠕變情況相當，蠕變量為32%。從材料蠕變後情況（圖6）也可以明顯看出，即使在190mpa壓力下恆壓24h，uhmwpe複合材料樣品變形較小，而此時ptfe材料變形已接近破壞，實驗表明uhmwpe複合材料ptfe材料具有更高的承載能力和抗蠕變能力。
圖5 uhmwpe複合材料與ptfe材料不同壓力下的蠕變率
（a）90mpa（左為ptfe材料，右為uhmwpe複合材料）
（b）190mpa（左為ptfe材料，右為uhmwpe複合材料）
圖6 uhmwpe複合材料與ptfe材料不同壓力下蠕變24h後樣品圖
2.5 耐磨效能
將純uhmwpe及uhmwpe複合材料幹磨後的樣品表面通過掃瞄電鏡進行觀察，表面形貌見圖7。可以看出，純uhmwpe幹磨後樣品表面出現大量毛刺，這是uhmwpe表層被抽絲形成的碎屑。而uhmwpe複合材料表面毛刺的大小和數量明顯減少，但形成了少量犁溝溝痕。
圖7 純uhmwpe材料（左）與uhmwpe複合材料（右）磨損表面sem**
將uhmwpe複合材料通過壓制儲油坑在疲勞試驗機上進行摩擦係數及50km磨耗測試，結果表明:uhmwpe複合材料的靜摩擦係數低，在磨耗里程為3-25km時，動摩擦係數比較穩定，這是由於配方中的的耐磨劑形成了耐磨劑轉移膜，避免了摩擦副與耐磨板的直接接觸摩擦。隨著磨耗里程增加，動摩擦係數逐漸增大，這可能是摩擦生熱並破壞了轉移膜所致。
50km動摩擦係數達到0.04（見圖8），磨耗為0.5μm/km，滿足高速鐵路橋樑支座對超高分子量聚乙烯耐磨板的使用要求。
從圖也可以看出，uhmwpe複合材料經過50km磨耗後，產品有輕微變形，儲油坑明顯變淺，表面有類似刮傷的溝痕。從表3對照資料可以明顯看出uhmwpe複合材料靜摩擦係數稍高於ptfe材料，但耐磨效能遠好於ptfe材料。
圖8 uhmwpe複合材料隨磨耗里程動摩擦係數變化圖
表3 uhmwpe複合材料與ptfe材料耐磨效能
將兩種耐磨材料在相同測試條件下進行磨耗試驗發現，ptfe材料在經過4km摩擦後就明顯變形，且表面破壞磨損嚴重，有較多碎屑被拉出。這表明在摩擦條件更苛刻情況下，uhmwpe複合材料耐磨效能仍明顯好於ptfe材料。
（a）ptfe材料摩擦4kmb）uhmwpe複合材料摩擦 50km
圖9相同條件下兩種耐磨材料摩擦不同里程後樣品圖
3 產品應用與展望
本文研製的uhmwpe復合耐磨材料更能適應載荷量更大、相對位移速度更快、累計滑動位移量更長和耐磨要求更高的工作環境，是高速鐵路、公路橋梁支座理想的耐磨材料。已在武廣、京滬高鐵橋梁工程中得到廣泛應用。根據國家《中國鐵路中長期發展規劃》，未來10年，我國高速鐵路建設里程超過1.
6萬公里，而鐵路橋樑佔總里程達80%左右。可以預料，高效能改性超高分子量聚乙烯復合耐磨材料在高速鐵路、公路橋梁支座領域中有著廣闊的應用前景。
超高分子量聚乙烯調研報告
1.聚乙烯 pe 分類 聚乙烯根據密度 分子量大小可以分為3類。1.1 低密度pe 中密度pe 高密度pe 低密度聚乙烯 小於0.930克 立方厘公尺 小於0.0334磅 立方英吋 中密度聚乙烯 介於0.930與0.940克 立方厘公尺之間 介於0.0334與0.0338立方英吋之間 高密度聚乙烯 ...
超高分子量聚乙烯UPE棒材
超高分子量聚乙烯棒 白色 英文名稱 ultra high molecular weight polyethylene 也稱 uhmw pe 是分子量高於 150 萬的熱塑性工程塑料。具有分子鏈長度是高密度聚乙烯的 10 20 倍，更長分子鏈 更高的分子量 賦予了 uhmwpe 的主要優勢在於韌性 耐...
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