聚乙烯(PE)是一种由乙烯分子通过聚合而制备的高分子塑料，具有较好的化学稳定性、力学强度以及电性能，被广泛用于薄膜制品、器材制造以及工程塑料[1-2]。超高分子量聚乙烯(UHMW-PE)具有优于普通PE材料的高强度，抗老化性能，已经广泛用于球拍、钓竿等体育用品[3]。但UHMW-PE较差的弯曲强度和耐磨性极大地限制了其应用范围。通过共混填充可以有效提高UHMW-PE的弯曲强度以及耐磨性能。研究表明：采用玻璃纤维[4-5]、云母[6]以及炭黑[7]等对UHMW-PE进行填充改性，可以有效地改善UHMW-PE的硬度、刚性以及弯曲强度。但由于UHMW-PE的流动性较差，难以进行成型加工，因此这些无机填料在PE基体中难以分散均匀。此外，上述无机填料在磨损中会脱落形成磨粒，从而影响其力学强度[8]。碳纤维(CF)具有优异的力学性能、质量轻、耐摩擦、振动衰减功能强等优点，可以与树脂材料复合形成具有较高强度的功能复合材料[9]。因此，将CF与UHMW-PE复合可以得到具有较高力学强度的PE复合材料。本实验采用模压成型的方法将CF与UHMW-PE进行共混，制备UHMW-PE/CF复合材料，探究CF的加入量对UHMW-PE/CF复合材料力学性能、耐磨性能以及抗老化性能的影响。1实验部分1.1主要原料超高分子量聚乙烯(UHMW-PE)，TiconaGuR4150，粉体，平均粒径150 μm，分子量约为9 000 000，美国泰科纳公司；碳纤维(CF)，平均直径6 μm，密度2.12~2.42 g/cm3，沈阳中恒复合材料有限公司。1.2仪器与设备万能试验机，AG-1，日本岛津公司；冲击试验机，XC-22D，承德市精密试验机有限公司；摩擦磨损试验仪，M-200A，北京纵横金鼎仪器设备有限公司；扫描电子显微镜，FEI Sirion 200，美国飞利浦公司；紫外老化试验箱，Q-SUN Xe-1，美国Q-Lab公司。1.3样品制备表1为不同复合材料的配方。将CF在100 ℃烘箱中烘干12 h备用，并将其裁剪为2 cm的长度。根据表1中的比例称取UHMW-PE以及CF加入自制的模具，加热250 ℃，压力为20 MPa，保持1 h后，自然冷却到170 ℃，继续加压到35 MPa，保持10 min。待温度降到室温后将样品脱模，得到UHMW-PE/CF复合材料。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.07.001.T001表1不同复合材料的配方Tab.1Formula of different composites样品CFUHMW-PE对比样01001298249636944892%%1.4性能测试与表征SEM分析：对样品断面喷金处理，观察断面形貌。拉伸性能测试：按ASTM D638-03进行测试，样品尺寸长度150 mm，宽度15 mm，拉伸速率7 mm/min。弯曲强度测试：按ASTM D790-03进行测试，样品尺寸长度70 mm，宽度15 mm，弯曲速率3 mm/min。冲击强度测试：按GB/T 1043.1—2008进行测试，样品尺寸长度100 mm，宽度20 mm，冲击速度3.2 m/s。摩擦磨损性能测试：按GB/T 3960—2016进行测试，样品尺寸为直径20 mm的圆片，室温下进行干摩擦实验，载荷设置为150 N，时间20 min。抗老化试验：将样品放置在紫外老化试验箱中老化24 h，温度60 ℃，紫外照射功率300 W，老化结束后测量其弯曲强度以及冲击强度损失量。配置15%的HCl、NaOH和NaCl溶液，将长度100 mm，宽度20 mm的片状样品放入上述溶液中腐蚀处理10 d后测试弯曲强度以及冲击强度损失量。2结果与讨论2.1UHMW-PE/CF复合材料的SEM分析图1和图2分别为UHMW-PE和UHMW-PE/CF复合材料的SEM照片。从图1可以看出，UHMW-PE表面为均一相，没有出现多余的其他物质。从图2可以看出，随着CF含量的增加，复合材料中CF也逐渐增多。CF含量较少的UHMW-PE/CF-1和UHMW-PE/CF-2中，CF在UHMW-PE基体中分布较为稀疏，并且与UHMW-PE基体之间的结合较少。而在UHMW-PE/CF-3和UHMW-PE/CF-4中，由于CF含量的增加，CF与UHMW-PE之间接触较为密实。并且在UHMW-PE/CF-3中，CF与UHMW-PE接触最佳，表面较为光滑平整；而UHMW-PE/CF-4中，由于CF含量过大，一部分CF并未完全与UHMW-PE基体黏附，这一结果可能会导致其力学性能增强不明显。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.07.001.F001图1UHMW-PE的SEM照片Fig.1SEM image of UHMW-PE10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.07.001.F002图2UHMW-PE/CF复合材料的SEM照片Fig.2SEM images of UHMW-PE/CF composites2.2UHMW-PE/CF复合材料力学性能分析体育器材类材料尤其是羽毛球拍中，力学强度是最重要的性能指标。因此，对制备的UHMW-PE/CF复合材料的力学性能进行研究。图3为不同UHMW-PE/CF复合材料的拉伸强度。从图3可以看出，UHMW-PE/CF-3的拉伸强度最大(31.22 MPa)，比UHMW-PE的拉伸强度(15.86 MPa)增加96.85%。随着CF含量的增加，UHMW-PE/CF复合材料的拉伸强度相较于UHMW-PE均增加。这是由于CF的强度较大，加入UHMW-PE基体后，CF可以有效地抵抗一部分拉伸断裂过程中的应力，从而增加UHMW-PE复合材料的拉伸强度。此外，由于CF在UHMW-PE/CF-3中分散最佳，CF可以更好吸收UHMW-PE基体受到的外加拉力，从而获得最佳的拉伸强度。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.07.001.F003图3不同UHMW-PE/CF复合材料的拉伸强度Fig.3Tensile strength of different UHMW-PE/CF composites图4为不同UHMW-PE/CF复合材料的弯曲强度。从图4可以看出，随着CF含量的增加，复合材料的弯曲强度呈现先增加后下降的趋势。UHMW-PE/CF-1、UHMW-PE/CF-2和UHMW-PE/CF-3中，复合材料的弯曲强度随着CF含量的增加而增大，并在UHMW-PE/CF-3中达到最大值65.63 MPa。产生这一结果的原因是CF具有较大的强度以及刚性可以有效吸收外加应力，因而提高UHMW-PE/CF的弯曲强度。UHMW-PE/CF-3由于具有较好的分散性，CF与UHMW-PE的界面作用更强，因此表现最大的弯曲强度，相较于UHMW-PE的弯曲强度46.23 MPa增加41.96%。而UHMW-PE/CF-4中，尽管CF含量最大，然而其弯曲强度为64.25 MPa，低于UHMW-PE/CF-3的弯曲强度，这是由于CF含量过高，UHMW-PE基体与CF之间的结合较差，一部分CF发生堆叠导致产生弱界面，从而导致UHMW-PE/CF复合材料在受到外力后界面发生脱附[10]，因此弯曲强度低于UHMW-PE/CF-3。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.07.001.F004图4不同UHMW-PE/CF复合材料的弯曲强度Fig.4Bending strength of different UHMW-PE/CF composites冲击强度可有效表征材料抵抗外界冲击作用的能力，图5为不同UHMW-PE/CF复合材料的冲击强度。从图5可以看出，UHMW-PE的冲击强度在所有材料中表现最低，为16.82 kJ/m2，说明其抵抗冲击作用的能力较弱。随着CF含量的增加，材料的冲击强度也随之增加，并在UHMW-PE/CF-3中达到最大值24.95 kJ/m2，相比于UHMW-PE增加48.34%，这一结果说明CF的加入可以有效改善UHMW-PE脆性较大的缺点，有效提高其韧性。而UHMW-PE/CF-4中，较多的CF发生团聚导致其受到外力冲击时，缺乏UHMW-PE基体的部分CF，易发生断裂从而降低冲击强度 [11]，因此其冲击强度低于UHMW-PE/CF-3。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.07.001.F005图5不同UHMW-PE/CF复合材料的冲击强度Fig.5Impact strength of different UHMW-PE/CF composites研究表明，羽毛球拍的力学强度越大，其减震性能会下降[12]，从而受到外力冲击时产生较大的振动，对人身产生伤害。因此，需要对材料的减震性能(阻尼系数tanδ)进行测试，图6为不同UHMW-PE/CF复合材料的阻尼系数。从图6可以看出，随着CF含量的增加，UHMW-PE/CF复合材料在拉伸以及压缩过程中的阻尼系数均先增大后减小，这是由于CF与UHMW-PE基体之间存在较强的黏附作用，导致UHMW-PE基体受到外界应力的作用后，UHMW-PE分子链与CF表层界面会产生一定的摩擦作用，使受到的机械能转变为热量散失，从而振动效应减小，阻尼系数增大[12-13]。UHMW-PE/CF-3中，阻尼系数最大，拉伸和压缩过程分别达到0.075和0.562，这是由于CF具有较高的分散性与UHMW-PE结合作用较强，使得二者间的能量损耗增大，从而增大阻尼系数。综上所述，加入适量的CF可以有效增强UHMW-PE的力学强度，使其可以有效应用于羽毛球拍材料领域。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.07.001.F006图6不同UHMW-PE/CF复合材料的阻尼系数Fig.6The damping coefficient of different UHMW-PE/CF composites2.3UHMW-PE/CF复合材料的摩擦磨损性能羽毛球拍材料长时间的使用后会发生一定的摩擦磨损，这些磨损通常会影响其力学强度，从而影响使用寿命。图7为不同UHMW-PE/CF复合材料的摩擦曲线。从图7可以看出，UHMW-PE的平均摩擦系数最大，为0.137左右，并且摩擦曲线浮动较大，说明其耐磨性能较差。加入CF后，UHMW-PE/CF复合材料的平均摩擦系数均低于UHMW-PE，说明CF的加入可以有效提高UHMW-PE材料的耐磨性能，这是由于CF自身具有较高的耐磨性能，可以有效地增加复合材料的耐磨性能。UHMW-PE/CF-3的平均摩擦系数最低，为0.062，说明其具有最佳的耐磨性能。这一现象是由于UHMW-PE/CF-3中UHMW-PE基体与CF混融较好，CF与UHMW-PE基体结合处应力最低[14]，使得摩擦过程中CF不易脱落，从而产生较低的摩擦系数。这一结果说明，制备的UHMW-PE/CF-3具有较好的耐磨性能，可以有效地抵抗长时间使用中的摩擦磨损现象。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.07.001.F007图7不同UHMW-PE/CF复合材料的摩擦曲线Fig.7Friction curves of different UHMW-PE/CF composites2.4UHMW-PE/CF复合材料的耐久性球拍的使用过程中，会受到光照以及汗渍的腐蚀作用，因此对性能最佳的UHMW-PE/CF-3复合材料与纯UHMW-PE材料进行耐久性试验，表2为测试结果。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.07.001.T002表2UHMW-PE/CF-3和UHMW-PE的耐久性Tab.2The durability of UHMW-PE/CF-3 and UHMW-PE老化条件UHMW-PE/CF-3UHMW-PE冲击强度下降率弯曲强度下降率冲击强度下降率弯曲强度下降率紫外热老化5.64.210.628.63HCl1.232.141.562.54NaOH1.562.453.242.79NaCl2.312.112.862.57%%从表2可以看出，不同的酸碱盐溶液中，UHMW-PE/CF-3的冲击强度和弯曲强度下降率为1.23%、2.14%（酸）；1.56%、2.45%（碱）；2.31%、2.11%（盐），均低于UHMW-PE，说明其抗老化性能优于UHMW-PE。这一现象是因为CF作为一种碳材料，具有较好的耐腐蚀性[15]，并且UHMW-PE基体腐蚀后，CF与基体的复合可以有效避免基体力学性能的急剧下降，因此，UHMW-PE/CF-3表现较高的耐久性。紫外热老化条件下，UHMW-PE/CF-3的冲击强度以及弯曲强度下降最大，分别为5.6%和4.2%，高于在酸碱盐溶液中的下降率，说明日常使用中，需要尽量减少其受到光照的时间。3结论（1）将UHMW-PE与CF进行热压混融制备UHMW-PE/CF复合材料，性能测试表明，其具有较高力学强度，较好的抗磨性能以及耐久性。（2）UHMW-PE/CF-3的力学强度达到最大，拉伸强度、弯曲强度、冲击强度以及阻尼系数分别为31.22 MPa，65.63 MPa，24.95 kJ/m2和0.075（拉伸阻尼），0.562（压缩阻尼），并且呈现最佳的耐磨性能。（3）不同老化条件下，UHMW-PE/CF-3的主要力学性能下降均低于UHMW-PE，具有较好的耐老化性。