第十四届全国表面工程大会

超高分子量聚乙烯（UHMWPE）因具有优异的自润滑、耐磨损和耐冲击等性能而广泛应用于滑动轴承、人工关节等关键元件中。本研究以UHMWPE的摩擦学特性为研究对象，借助分子动力学模拟方法，构建了UHMWPE材料的干摩擦和水润滑分子模型，分析了摩擦条件下UHMWPE界面塑性流动的变化规律和分子机理。在剪切过程中，随正压力增加（0~70MPa），UHMWPE分子间相互作用距离减小，UHMWPE分子链发生的剪切程度减弱。受此影响，UHMWPE与金属对偶件之间的相互作用能增加，剪切力显著增加（1.78~5.48nN）。此外，在干摩擦过程中，界面的聚乙烯分子链逐渐发生断裂并可释放（CH₂）_n自由基团，且在界面处的金属层和聚乙烯层发生电荷的局部富集。不仅如此，当金属表面存在纳尺度的脊状突起结构，将会在UHMWPE表面产生犁耕现象，具体表现为界面产生空穴区并伴随着聚乙烯分子链的断裂。与此同时，界面塑性流动的聚乙烯分子也会重塑脊状突起结构，即金属层发生磨损现象。在水润滑条件下，若摩擦副间存在连续水分子膜，则该水膜能在剪切过程中保持完整，且能使金属层与UHMWPE间的剪切力西安住降低（<0.11nN）。另一方面，由于摩擦过程引起界面处聚乙烯分子链的重排现象可使UHMWPE表面产生间歇性的空穴区，此时，水分子将以团聚的形式逐渐渗透进入UHMWPE内部，将有可能破坏UHMWPE的完整性。最后，水润滑条件还可显著降低摩擦界面聚乙烯分子断裂的现象，且UHMWPE的塑形流动明显减少；特别是在金属对偶件表面的微结构突起的挤压作用下，UHMWPE表面能发生完全弹性恢复。

超高分子量聚乙烯,分子动力学模拟,干摩擦,水润滑,剪切特性