超高分子量聚乙烯（UHMWPE）具有质轻、耐磨损、耐冲击等特点。但它也存在强度低、热变形温度低、耐温性差等不足之处。常采取交联和填料改性等方法提高UHMWPE的性能。此外，研究表明，热处理对UHMWPE性能也有一定影响：在140～275℃下对UHMWPE粉末进行短期加热后，可改善其透明性、制品表面粗糙度和低温力学性能；H. Fouad等发现预热处理可提高UHMWPE的结晶度，进而改善其力学性能。雷毅等发现，合适的预热工艺可有效改善UHMWPE的摩擦磨损性能。
    深冷处理又称超低温处理，是指在-130℃以下对材料进行处理以改善其综合性能，是常规热处理的延伸。深冷处理不仅可以显著提高材料的力学性能和使用寿命，而且操作简便、不破坏工件、无污染、成本低，因此具有可观的经济效益和市场前景。H.H.Trieu等发现深冷处理工艺对UHMWPE的结晶度、表面硬度及拉伸强度影响不大，但未进一步研究其对耐磨性的影响。研究显示深冷处理能显著改善某些高分子料及其复合物的耐磨性能。笔者分别表征经过深冷处理、热处理后再深冷处理UHMWPE的结晶度、拉伸强度、韧性及显微硬度，并进行耐磨性能评价，研究深冷处理对UHMWPE力学性能和耐磨性能的影响。
1  实验部分
1.1  主要原材料
    UHMWPE：相对分子质量（250±50)万，北京试剂二厂。
1.2  仪器、设备
    热压机：25-12H型，美国Carver公司；
    深冷处理设备：Keynes-300型，成都凯恩斯公司；
    差示扫描量热（DSC)仪：Jupiter STA 449C型，德国Netzsch公司；
    电子万能试验机Instmn 5567型，美国Instron公司；
    显微硬度计：HXD-1000TM型，中国泰明公司；
    摩擦磨损试验机：CH-2007 Neuchatel型，瑞士CSM公司；
    扫描电子显微镜（SEM）：Quanta 200型，荷兰Fei公司。
1.3  试样制备及处理工艺
    使用热压机将UHMWPE粉料模压成块，模压温度180℃。随后利用深冷处理设备按工艺对UHMWPE块材进行分组处理。
    工艺1：将块材从室温定速降温至-196℃并恒温18h后，定速升温至室温。工艺2：将块材加热至100℃恒温30min后定速降温至-196℃并恒温18h，最后定，速升退至室温。其中升降温度速率为0.5℃/min。
1.4  性能测试
    采用DSG仪测试结晶度：在氮气氛保护下，以10℃/min的速率升温至200℃，停留10 min，消除热历史，再以10℃/min的速率降温至室温，记录其熔融及结晶曲线。其结晶度X采用式（1）计算：
    X=△H/△Hf×100%     （1）
式中：△H——所测样品的熔融焓，J/g;
    △Hf——样品100%结晶时的熔融焓，取288.42J/g。[-page-]
    拉伸强度按GB/T 1040-1992测试，拉伸速度50 mm/min；
    弯曲断裂能按GB/T 9341-2测试，测试速度为50mm/min；
    显微硬度：对块材表面和剖开后的表面分别用Sic砂纸打磨、用纳米Zn0抛光剂抛光后进行测试；
    耐磨性能：采用摩擦磨损试验机进行销盘式单向圆周转动，法向载荷为2 N;Sic球旋转圆周路径直径为6mm；滑动速度为3cm/s；实验转数为20000 r。利用SEM观察UHMWPE磨损表面并拍照。
2  结果与讨论
2.1  结晶度
    UHMWPE的结晶度及其它性能见表1。从表1可以看出，不同处理工艺下其结晶度均大于50%，据文献报道，UHMWPE的结晶度为39%－75%。处理后，UHMWPE结晶度较未处理时皆有所降低，且采用热处理后再深冷处理工艺的结晶度略大于深冷处理。
    对于热处理后再深冷处理工艺，当热处理温度（100℃）仅大于热变形温度（约90℃）而远低于熔点（约140℃）时，对已进人晶格形成稳定晶体的高芬子链段影响很小；而对小部分松散、厚度薄、易变形的片晶，以及对过渡区和非晶区的链段而言，其应力逐步得到释放而活动能力增强，高分子链段逐渐从相对紧密状态转为松散状态。从100℃降温至-196℃过程中，由于温度快91降至玻璃化转变温度（约70℃）以下，链段的活动被快速冻结，不利于结晶。虽随后存在的-196℃重新升温至室温的“上坡淬火”，过程使链段重新获得一定动力，但对结晶已无明显影响。

2.2  拉伸强度、韧性及显微硬度
    由表1还可以看出，经不同工艺处理后的UH-MWPE拉伸强度均有所降低，但热处理后再深冷处理工艺的拉伸强度较高；经处理后UHMWPE表面显微硬度变化不大，但芯部的显微硬度明显降低，且同组UHMWPE试样表面显微硬度显著大于芯部显微硬度；处理后的UHMWPE韧性有所提高，且深冷工艺处理的较高。
    由表1可知，UHMWPE的拉伸强度、韧性及显微硬度的变化与结晶情况变化相对应。随着结晶度下降，材料的拉伸强度和硬度均降低，但韧性提高。这是由于结晶度下降，使材料整体分子链排列有序度降低，分子间作用减弱所致。在UHMWPE模压成型过程中，由于块材表里冷却速度不同，结晶通常先从近模具层开始再到远模具层，即晶区趋于块材表层，而过渡区和非晶区则靠近芯部，所以成型后的UHMWPE块材表面致密度高于内部，即表面硬度大于芯部。当采用不同工艺处理时，其芯部过渡区和非晶区结构所受的影响大于晶区，即芯部影响大于表面，所以处理后表面显微硬度变化不明显，而芯部则显著降低。
2.3  耐磨性能
    不同工艺处理后磨损表面的SEM照片如图1所示。