产品世界
超高分子量聚乙烯复合材料在高铁应用中性能实验介绍
2014-07-29 18:12:33

桥梁支座简介
将改性超高分子量聚乙烯复合原材料通过模压烧结即得耐磨板材,产品实物见图3。耐磨板典型特点是一表面非常光滑,并带有储油的储油坑,作用是利用光滑面和油脂降低摩擦系数,提高产品耐磨性能;而另外一面带有一定纹路,相对较粗糙,目的是便于产品的安装和固定。耐磨板材是盆式橡胶支座和球型支座等桥梁支座重要组成部分,图4是盆式橡胶支座典型结构。在该结构中 ,耐磨板起着两个作用:一是利用其竖向刚度和弹性变形,向桥墩传递桥面的支承反力,承受垂直荷载及适应梁端转动;二是通过耐磨材料与滑动板组成的摩擦副,利用其低摩擦系数,可使梁端能自由滑动,水平位移不受限制,保证了桥梁结构在活载、温度变化、混凝土收缩和蠕变等因素作用下能自由变形。因此,耐磨材料在桥梁减振隔震、减少桥梁摩擦、提高桥梁支座使用寿命起了至关重要的作用。
 
图3 UHMWPE复合耐磨产品
 
图4 盆式橡胶支座结构图
2.2 物理机械性能
将制备的UHMWPE复合材料及PTFE材料在相同测试条件下,按照相同检测方法进行性能检测,其物理机械性能见表1。从表1可以看出,UHMWPE复合材料密度小,材质轻,PTFE材料的密度是UHMWPE复合材料的2.3倍。UHMWPE复合材料的断裂伸长率为320%,稍低于PTFE材料,但UHMWPE复合材料的拉伸强度、弯曲强度、压缩强度以及弹性模量均明显要高于PTFE材料,尤其是UHMWPE复合材料的抗冲击性能十分优异。。
表1 UHMWPE复合材料与PTFE材料物理机械性能
性能指标 单位 测试方法 典  型  值
   UHMWPE复合材料 PTFE材料
密度 g/cm3 GB/T 1033 0.94 2.17
球压痕硬度 MPa ISO 2039-1 37.3 28.5
拉伸强度 MPa ISO 527-1 43.1 37
断裂伸长率 % ISO 527-3 320 380
弹性模量 MPa GB/T 1040 826 420
压缩强度 MPa GB/T 1041 35.4 27.9
弯曲强度 MPa GB/T 9341 18.7 12.3
缺口冲击强度 21℃  kJ.m-2 ASTM D4020 NB 15
 -60℃  kJ.m-2  NB 17.3
2.3 耐热性能
纯超高分子量聚乙烯耐热温度较低、热变形温度约45℃,低于PTFE材料热变形温度;导热性能差,导热系数约0.3 W/m*K,此极大限制了材料的应用。经过改性后的UHMWPE复合材料热变形温度有明显提升,达到58℃,与PTFE材料接近。而且其导热系数也提高近一倍,为替代PTFE材料应用于桥梁支座耐磨材料打破了瓶颈,也极大拓展了其在建筑、工程机械等领域应用的可能。
表2 UHMWPE复合材料与PTFE材料耐热性能
性能指标 单位 测试方法 典  型  值
   UHMWPE复合材料 PTFE材料
热变形温度 ℃ GB/T 1634-2004 58 61
导热系数 W/m*K ASTM D5470 0.58 0.26
2.4 抗重载性能
本论文采用蠕变率来表征材料的承载能力。超高分子量聚乙烯、PTFE耐磨板在不同压力下的蠕变率见图5。从图5看出,在承载压力情况下,随着时间增加,蠕变率明显上升,蠕变4h后,变化不大,材料蠕变性能基本趋于稳定;同时表明:UHMWPE复合材料在90MPa和190MPa压应力下的限位承载压缩蠕变率均要明显低于PTFE材料,其在90MPa压应力下的形变量约为PTFE材料蠕变率的1/2,在190MPa压应力下的形变量与PTFE材料在90MPa压应力下的蠕变情况相当,蠕变量为32%。从材料蠕变后情况(图6)也可以明显看出,即使在190MPa压力下恒压24h,UHMWPE复合材料样品变形较小,而此时PTFE材料变形已接近破坏,实验表明UHMWPE复合材料PTFE材料具有更高的承载能力和抗蠕变能力。
 
图5 UHMWPE复合材料与PTFE材料不同压力下的蠕变率
 
(a)90MPa(左为PTFE材料,右为UHMWPE复合材料)
 
(b)190MPa(左为PTFE材料,右为UHMWPE复合材料)
图6 UHMWPE复合材料与PTFE材料不同压力下蠕变24h后样品图
2.5 耐磨性能
将纯UHMWPE及UHMWPE复合材料干磨后的样品表面通过扫描电镜进行观察,表面形貌见图7。可以看出,纯UHMWPE干磨后样品表面出现大量毛刺,这是UHMWPE表层被抽丝形成的碎屑。而UHMWPE复合材料表面毛刺的大小和数量明显减少,但形成了少量犁沟沟痕。
   
图7 纯UHMWPE材料(左)与UHMWPE复合材料(右)磨损表面SEM照片
将UHMWPE复合材料通过压制储油坑在疲劳试验机上进行摩擦系数及50km磨耗测试,结果表明:UHMWPE复合材料的静摩擦系数低,在磨耗里程为3-25km时,动摩擦系数比较稳定,这是由于配方中的的耐磨剂形成了耐磨剂转移膜,避免了摩擦副与耐磨板的直接接触摩擦。随着磨耗里程增加,动摩擦系数逐渐增大,这可能是摩擦生热并破坏了转移膜所致。50km动摩擦系数达到0.04(见图8),磨耗为0.5μm/km,满足高速铁路桥梁支座对超高分子量聚乙烯耐磨板的使用要求。从图也可以看出,UHMWPE复合材料经过50km磨耗后,产品有轻微变形,储油坑明显变浅,表面有类似刮伤的沟痕。从表3对照数据可以明显看出UHMWPE复合材料静摩擦系数稍高于PTFE材料,但耐磨性能远好于PTFE材料。


 
图8 UHMWPE复合材料随磨耗里程动摩擦系数变化图
表3 UHMWPE复合材料与PTFE材料耐磨性能

将两种耐磨材料在相同测试条件下进行磨耗试验发现,PTFE材料在经过4km摩擦后就明显变形,且表面破坏磨损严重,有较多碎屑被拉出。这表明在摩擦条件更苛刻情况下,UHMWPE复合材料耐磨性能仍明显好于PTFE材料。
  
(a)PTFE材料摩擦4km                  (b)UHMWPE复合材料摩擦 50km
图9相同条件下两种耐磨材料摩擦不同里程后样品图