蔡 暾 王學(xué)美 詹勝鵬 賈 丹 楊 田 李 健 段海濤

（1.中國(guó)機(jī)械總院集團(tuán)武漢材料保護(hù)研究所有限公司，特種表面保護(hù)材料及應(yīng)用技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 湖北武漢 430030；2.湖北隆中實(shí)驗(yàn)室 湖北襄陽 441000；3.武漢船用機(jī)械有限責(zé)任公司 湖北武漢 430085）

水資源是一個(gè)巨大的寶庫(kù)，是人類解決資源短缺、拓展生存發(fā)展空間的戰(zhàn)略必爭(zhēng)之地［1］。21 世紀(jì)是人類開發(fā)各類水資源、利用水域戰(zhàn)略空間的新階段，高效開發(fā)利用水資源、有力維護(hù)水域權(quán)益都離不開涉水工程裝備的支撐［2－3］。其中，運(yùn)動(dòng)副部件的摩擦磨損問題直接關(guān)系到涉水工程裝備安全可靠運(yùn)行、水環(huán)境保護(hù)以及裝備技術(shù)水平，相應(yīng)的水環(huán)境下摩擦副材料制備技術(shù)一直是重點(diǎn)需求和難點(diǎn)問題，對(duì)涉水工程裝備發(fā)展起到重要的推動(dòng)作用［4－5］。水環(huán)境的復(fù)雜性使得涉水工程裝備運(yùn)動(dòng)副所面臨的摩擦學(xué)問題復(fù)雜多樣，如水的低黏度導(dǎo)致摩擦界面難以形成有效的潤(rùn)滑膜；水環(huán)境的腐蝕性會(huì)大大加速摩擦副材料的磨損進(jìn)程；復(fù)雜的水況容易使涉水工程裝備產(chǎn)生振動(dòng)和沖擊，突變的高接觸應(yīng)力嚴(yán)重影響運(yùn)動(dòng)副部件的可靠性及使用壽命；微生物的附著、大量沙粒的沖蝕磨損以及深水高壓環(huán)境與磨損腐蝕行為的耦合作用，也是影響涉水工程裝備使役性能的重要因素［6］。

隨著“綠色摩擦學(xué)”（Green tribology）理論在涉水工程裝備領(lǐng)域的發(fā)展，摩擦學(xué)的研究目標(biāo)正在從傳統(tǒng)的控制摩擦（減少磨損和改善潤(rùn)滑）概念轉(zhuǎn)變?yōu)樘嵘茉葱屎铜h(huán)境友好摩擦學(xué)，例如節(jié)能、減排、低噪聲和振動(dòng)、發(fā)展生態(tài)潤(rùn)滑等［7－9］。傳統(tǒng)的金屬摩擦副材料在水中極易與其他介質(zhì)發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)而受到嚴(yán)重腐蝕，從而加速運(yùn)動(dòng)副的摩擦損傷，同時(shí)其在使用過程中需要使用潤(rùn)滑油或潤(rùn)滑脂進(jìn)行潤(rùn)滑，消耗了大量的礦物油和貴金屬資源［10］。同時(shí)基于節(jié)約資源和保護(hù)環(huán)境的考慮，由于金屬摩擦副所用油／脂潤(rùn)滑劑泄漏造成的環(huán)境污染問題是不可忽視的［11］。因此具有自潤(rùn)滑特性的聚合物替代金屬作為摩擦副材料，已廣泛應(yīng)用于涉水工程裝備、航空航天、軌道交通領(lǐng)域的水潤(rùn)滑軸承、導(dǎo)軌、襯墊等運(yùn)動(dòng)部件［12］。聚合物及聚合物基復(fù)合材料具有低密度、高韌性、耐腐蝕，以及優(yōu)異的自潤(rùn)滑和機(jī)械加工性能等特點(diǎn)，且用于涉水工程裝備中還具有一些特別優(yōu)勢(shì)，如在水環(huán)境下聚合物材料的不導(dǎo)電特性可杜絕電偶腐蝕，在水下遮光環(huán)境可避免材料的光老化，聚合物材料具有優(yōu)異的包埋沙粒等異物的能力，這使得聚合物作為摩擦副材料在水環(huán)境下具有廣闊的應(yīng)用前景［13］。然而，與金屬材料相比，聚合物材料存在強(qiáng)度低、蠕變、老化以及吸水等固有缺陷，并且在低速重載工況下難以形成完整的潤(rùn)滑水膜導(dǎo)致嚴(yán)重的磨損及振動(dòng)，加之涉水工程裝備運(yùn)動(dòng)副所面臨復(fù)雜多樣的摩擦環(huán)境，極大地限制了聚合物材料作為摩擦副部件在涉水工程裝備領(lǐng)域的應(yīng)用。

綜上所述，針對(duì)水環(huán)境這一特殊的使役工況，開發(fā)應(yīng)用于涉水工程裝備的高性能聚合物摩擦副材料，對(duì)于提升涉水工程裝備運(yùn)動(dòng)副部件的可靠性和延長(zhǎng)其使用壽命，拓展水環(huán)境中用聚合物摩擦副材料的應(yīng)用領(lǐng)域，具有重要的理論指導(dǎo)意義和工程實(shí)用價(jià)值?；诖?，本文作者圍繞輻照與等離子體表面改性技術(shù)、填料共混復(fù)合改性技術(shù)、織構(gòu)化表面調(diào)控技術(shù)以及功能化水潤(rùn)滑表面調(diào)控技術(shù)4 個(gè)方面，綜述了目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于涉水工程裝備用聚合物摩擦副材料表界面潤(rùn)滑狀態(tài)調(diào)控技術(shù)的研究進(jìn)展，介紹了幾類改性技術(shù)的優(yōu)勢(shì)和挑戰(zhàn)，總結(jié)了材料的制備方法和潤(rùn)滑機(jī)制，最后對(duì)涉水工程裝備用聚合物摩擦副材料的制備技術(shù)和摩擦學(xué)研究方向進(jìn)行了總結(jié)和展望。

1 輻照與等離子體表面改性技術(shù)

表面改性是通過化學(xué)、物理的方法改變材料或工件表面的化學(xué)成分或組織結(jié)構(gòu)來改變聚合物材料的表面化學(xué)性質(zhì)，以提高對(duì)水的附著力、減少腐蝕并增強(qiáng)摩擦學(xué)性能。這種改性可以通過激光表面處理、γ 射線輻照和等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積等方法實(shí)現(xiàn)。

激光表面處理是利用激光掃描過程中材料表面組織結(jié)構(gòu)變化或改變材料表面化學(xué)成分來實(shí)現(xiàn)材料表面性能的改善。文獻(xiàn)［14－15］研究了激光誘導(dǎo)超高分子量聚乙烯（UHMWPE）材料表面的粗糙度和潤(rùn)濕性的變化，發(fā)現(xiàn)在高脈沖能量輻照后表面檢測(cè)到C＝C和C＝O 鍵，材料表面殘留大量的碳化顆粒使得樣品的潤(rùn)濕性和表面粗糙度增加。文獻(xiàn)［16］探究了激光輻照對(duì)UHMWPE 表面特性的影響，結(jié)果表明激光輻照后材料表面潤(rùn)濕性和粗糙度顯著增加。為了研究激光處理對(duì)海水環(huán)境下聚醚醚酮（PEEK）摩擦學(xué)性能的影響，文獻(xiàn)［17］使用不同功率密度的激光處理PEEK 表面，發(fā)現(xiàn)在低功率密度的激光照射下PEEK表面發(fā)生氧化，水分子和陽離子在表面的吸附使得摩擦因數(shù)減?。欢诟吖β拭芏鹊募す馓幚砗?，PEEK表面發(fā)生碳化生成碳化層，其潤(rùn)滑保護(hù)作用是摩擦磨損減小的主要原因（反應(yīng)機(jī)制如圖1 所示）。上述研究工作表明，激光表面輻照后聚合物表面主要發(fā)生氧化和碳化反應(yīng)，其中氧化反應(yīng)產(chǎn)生的極性基團(tuán)會(huì)導(dǎo)致材料表面的潤(rùn)濕性有所增加，而生成的碳化層可以有效提升材料的減摩耐磨性能。

圖1 激光表面處理PEEK 的反應(yīng)示意［17］：（a）表面氧化；（b）表面碳化Fig.1 Schematic of the PEEK reactions during laser treatment［17］：（a）surface oxidation；（b）surface carbonization

γ 射線輻照是一種高效、可控、環(huán)境污染小的聚合物材料改性方法。通過γ 射線輻照可以在聚合物中形成大量自由基，從而促進(jìn)聚合反應(yīng)進(jìn)行?；蛘咦杂苫嗷ソY(jié)合形成交聯(lián)鍵，使聚合物成為一種更為緊密的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，提高其摩擦學(xué)性能、力學(xué)強(qiáng)度、穩(wěn)定性等性能［18］。此外γ 射線輻照可以促進(jìn)氧分子進(jìn)入聚合物中，從而產(chǎn)生氧化反應(yīng)，高強(qiáng)度的輻照也會(huì)使聚合物鏈斷裂［19］。XIONG 等［20］研究了γ 射線輻照改性對(duì)水潤(rùn)滑條件下UHMWPE 材料摩擦學(xué)性能的影響，結(jié)果表明，經(jīng)過γ 射線輻照改性材料的摩擦因數(shù)略有上升，但磨損率有明顯下降。段為朋等［21］利用γ 射線輻照改性UHMWPE 并探究了改性材料在人工海水潤(rùn)滑下的摩擦磨損性能，發(fā)現(xiàn)γ 射線輻照會(huì)使UHMWPE 發(fā)生交聯(lián)，其摩擦因數(shù)略有增加，但磨損率有所下降。交聯(lián)作為聚合物體系中的一個(gè)顯著特征，在熱塑性聚氨酯（TPU）的摩擦學(xué)性能中發(fā)揮著重要作用。JIANG 等［22］通過γ 射線加強(qiáng)氫鍵效應(yīng)制備了不同交聯(lián)度的TPU，研究了交聯(lián)對(duì)TPU 水潤(rùn)滑條件下摩擦學(xué)性能的影響，結(jié)果顯示摩擦因數(shù)隨著交聯(lián)度的增加而增加。

利用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積（PECVD）表面改性方法，在聚合物材料表面構(gòu)建可控碳膜是克服聚合物材料因硬度低、耐磨性差而在極端環(huán)境下應(yīng)用受限等問題的最有效方法之一［23－26］。FISCHER 等［27］通過PECVD 技術(shù)在聚乙烯表面制備了2 種類型可控碳膜，并通過比較碳中心的特征指紋行為提出了適當(dāng)?shù)膶娱g形成機(jī)制。上述研究表明，通過連續(xù)的等離子體處理，可能會(huì)發(fā)生由聚合物鏈中的碳結(jié)構(gòu)到非晶碳層的轉(zhuǎn)變。SU 等［28］采用PECVD 方法，通過連續(xù)乙炔等離子體處理，在PEEK 基板上制備了具有等離子誘導(dǎo)原位過渡層的可控碳膜（如圖2（a）所示），發(fā)現(xiàn)與原始PEEK 相比，改性PEEK 在真空、空氣和海水介質(zhì)中的摩擦因數(shù)和磨損率均有很大改善（如圖2（c）所示）；同時(shí)發(fā)現(xiàn)在柔性聚合物基材表面構(gòu)建可控碳膜，會(huì)使材料具有獨(dú)特的力學(xué)和摩擦學(xué)適應(yīng)性（如圖2（b）和（d）所示）。

圖2 PEEK 基板上等離子誘導(dǎo)原位生長(zhǎng)非晶碳薄膜示意（a），PEEK 和a－C ∶H 薄膜的納米壓痕載荷－位移曲線（b），真空、空氣和海水介質(zhì)中PEEK 和a－C ∶H 薄膜的平均摩擦因數(shù)和磨損率（c），薄膜在不同環(huán)境下的磨損機(jī)制示意（d）［28］Fig.2 Schematic of the plasma－induced in－situ growth amorphous carbon film on PEEK substrate（a），load－displacement curves of PEEK and a－C ∶H films by nanoindentation（b），the statistical values of the mean coefficient of friction and the wear rate in the vacuum，air and seawater media（c）；schematic of the wear mechanism of the film in different environments（d）［28］

輻照與等離子體表面改性技術(shù)都是通過能量對(duì)聚合物材料表面進(jìn)行沖擊，使材料表面組織結(jié)構(gòu)變化或改變材料表面化學(xué)成分來實(shí)現(xiàn)材料表面性能的改善，具有高效、可控、環(huán)境污染小等優(yōu)點(diǎn)。但是，該類方法對(duì)于聚合物的結(jié)構(gòu)調(diào)控僅限于材料表面，無法對(duì)材料整體摩擦學(xué)性能進(jìn)行有效的增強(qiáng)，當(dāng)表面改性層被破壞后將面臨失效問題。因此，如何利用相關(guān)技術(shù)對(duì)聚合物材料整體進(jìn)行改性，開發(fā)出具有高可靠性、長(zhǎng)壽命、性能優(yōu)異的聚合物摩擦副材料，仍具有一定的挑戰(zhàn)性。同時(shí)，實(shí)現(xiàn)軟聚合物表面和硬無機(jī)非晶碳層之間的物理和化學(xué)穩(wěn)定結(jié)合仍然是一個(gè)值得研究的方向，相關(guān)新型等離子體誘導(dǎo)的原位過渡層結(jié)構(gòu)研究是梯度涂層概念在聚合物應(yīng)用中的進(jìn)一步發(fā)展［28］。

2 填料共混復(fù)合改性技術(shù)

大量的研究工作已經(jīng)證明，在去離子水或海水潤(rùn)滑條件下，添加填料可顯著增強(qiáng)聚合物基體的耐磨性［29－31］。傳統(tǒng)的填料共混減摩抗磨機(jī)制主要包括機(jī)械強(qiáng)化、裂紋抑制和摩擦散熱等。此外聚合物轉(zhuǎn)移到對(duì)偶接觸面上形成轉(zhuǎn)移膜對(duì)摩擦副的摩擦學(xué)行為起著至關(guān)重要的作用。黏附良好的聚合物轉(zhuǎn)移膜有助于減少磨損，填料主導(dǎo)的轉(zhuǎn)移效應(yīng)也會(huì)降低磨損。改性聚合物轉(zhuǎn)移膜的摩擦效應(yīng)取決于填料的摩擦化學(xué)活性、粒徑和硬度［32－34］。

近年來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者圍繞海水環(huán)境下填料增強(qiáng)聚合物基摩擦副材料表界面潤(rùn)滑狀態(tài)調(diào)控及高性能邊界膜的構(gòu)建開展了大量研究工作。XU 等［35］發(fā)現(xiàn)在短碳纖維增強(qiáng)的PEEK 中進(jìn)一步添加5%體積分?jǐn)?shù)的六方氮化硼納米粒子可顯著提高耐磨性，這是由于摩擦化學(xué)產(chǎn)物H3BO3和B2O3排列在緊密堆積的邊界膜中提高了邊界膜的彈性，覆蓋在對(duì)偶件表面的連續(xù)邊界膜中提供了潤(rùn)滑作用并強(qiáng)化了鈍化層（如圖3（a）所示）。CAMPBELL 等［36］研究了由質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%和20% PEEK 填充和5% α－Al2O3填充的聚四氟乙烯（PTFE）復(fù)合材料在水環(huán)境中的摩擦化學(xué)機(jī)制，結(jié)果表明，由于摩擦化學(xué)產(chǎn)生的羧酸鹽端基將聚合物轉(zhuǎn)移膜固定在對(duì)摩件表面，有效降低了復(fù)合材料在潮濕空氣環(huán)境中的磨損率；但是由于聚合物鏈末端官能團(tuán)在水中的過飽和效應(yīng)阻止了轉(zhuǎn)移膜的形成，2 種復(fù)合材料在水環(huán)境中都表現(xiàn)出高磨損（如圖3（b）所示）。HOU 等［37］將二硫化鉬（MoS2）作為增強(qiáng)相添加到PEEK 中以提高其在水環(huán)境中的潤(rùn)滑性和抗磨損性能，結(jié)果表明適量的MoS2會(huì)降低摩擦界面之間的剪切強(qiáng)度（如圖3（c）所示）。

圖3 海水環(huán)境下PEEK／SCF／h－BN 復(fù)合材料與不銹鋼摩擦過程中的邊界潤(rùn)滑效應(yīng)及其耐腐蝕性能（a）［35］，PTFE 復(fù)合材料摩擦界面水和摩擦化學(xué)的作用（b）［36］，PEEK／MoS2復(fù)合材料在水性潤(rùn)滑中的摩擦學(xué)性能和磨損機(jī)制（c）［37］，去離子水和海水作用下，鋼表面與5 SCF／2 SiC IPN 復(fù)合材料滑動(dòng)摩擦膜形成和潤(rùn)滑示意（d）［40］Fig.3 Boundary lubrication effect and corrosion resistance during friction between PEEK／SCF／h－BN composite and stainless steel in seawater（a）［35］，the role of water and tribochemistry at the friction interface of PTFE composites（b）［36］，tribological performance and wear mechanism of PEEK／MoS2 composite in aqueous lubrication（c）［37］，schematic of the wear mechanism of the film in different environments（d）［40］

作為一種特殊的混合體系，互穿聚合物網(wǎng)絡(luò)（IPN）由于整合了各組分的突出特性，在改善材料的復(fù)合行為方面越來越受到青睞［38－39］。YU 等［40］將SiC 顆粒分散到短碳纖維（SCF）增強(qiáng)的聚氨酯／環(huán)氧樹脂互穿網(wǎng)絡(luò)（PU／EP IPN）中制備了復(fù)合材料，在去離子水和海水潤(rùn)滑條件下研究了復(fù)合材料的摩擦學(xué)行為。結(jié)果表明，水解產(chǎn)物和碳材料可以協(xié)同提高摩擦膜的承載能力，大大改善摩擦膜系統(tǒng)的邊界潤(rùn)滑性能（如圖3（d）所示）。QU 等［41］制備了一種新型三元丁腈橡膠／聚氨酯／環(huán)氧樹脂（NBR／PU／EP）互穿聚合物網(wǎng)絡(luò)并系統(tǒng)地研究了其阻尼和摩擦學(xué)性能，結(jié)果表明，質(zhì)量比為100 ∶40 ∶60 的NBR／PU／EP IPN在水潤(rùn)滑條件下具有最寬的有效阻尼溫度范圍、最低的摩擦因數(shù)和比磨損率。

深水高壓環(huán)境是影響涉水工程裝備可靠性的重要因素之一。GUAN 等［42］研究了高靜水壓力對(duì)碳纖維增強(qiáng)聚醚醚酮（CF／PEEK）與431 不銹鋼（431SS）摩擦副摩擦學(xué)特性的影響，結(jié)果表明，隨著靜水壓力的增加，CF／PEEK 和431SS 摩擦副的摩擦因數(shù)和磨損率均有所降低，CF／PEEK 的主要磨損機(jī)制由黏著磨損變?yōu)槠谀p。LIU 等［43］制備了聚甲基硅氧烷（PMSQ）微球增強(qiáng)聚對(duì)苯二甲酸丁二醇酯（PBT）復(fù)合材料，研究了深海環(huán)境對(duì)聚合物轉(zhuǎn)移膜的作用。結(jié)果表明，PMSQ 的加入促進(jìn)了PBT 向?qū)ε济娴霓D(zhuǎn)移并生成轉(zhuǎn)移膜，但是海水壓力延長(zhǎng)了轉(zhuǎn)移過程并降低了轉(zhuǎn)移膜的附著力。

武漢理工大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)以艦船水潤(rùn)滑艉軸承用聚合物復(fù)合材料為研究對(duì)象，系統(tǒng)探索了石墨烯納米片（GNS）增強(qiáng)高密度聚乙烯（HDPE）復(fù)合材料［44］、多壁碳納米管（MWCNTs）增強(qiáng)HDPE 復(fù)合材料［45］、四針狀氧化鋅晶須（T－ZnOw）增強(qiáng)HDPE 復(fù)合材料［46］、T－ZnOw 和MoS2顆粒協(xié)同改 性TPU 復(fù)合材料［47］、MoS2納米顆粒增強(qiáng)聚酰亞胺（PI）復(fù)合材料［48］等體系在水潤(rùn)滑條件下的摩擦磨損行為，揭示了填料對(duì)聚合物復(fù)合材料磨損界面摩擦力的穩(wěn)定作用。研究發(fā)現(xiàn)，填料改性明顯提高了材料的力學(xué)性能，有效削弱了摩擦界面聚合物復(fù)合材料的變形行為，從而降低了摩擦因數(shù)和磨損率。

此外，本文作者團(tuán)隊(duì)也圍繞填料增強(qiáng)聚合物摩擦副材料在海水環(huán)境中的摩擦學(xué)行為開展了大量研究，探索了新型層狀固體潤(rùn)滑劑α－磷酸鋯（α－ZrP）對(duì)UHMWPE 海水潤(rùn)滑下摩擦學(xué)性能的影響機(jī)制，制備出含有相容劑的PAANa／α－ZrP／UHMWPE 復(fù)合材料，發(fā)現(xiàn)α－ZrP 會(huì)在摩擦表面逐漸堆積，形成一層具有一定強(qiáng)度和潤(rùn)滑性的保護(hù)層，使摩擦因數(shù)減小，磨損量降低［49］。并基于此研究，制備出新型表面偶聯(lián)修飾α－ZrP／UHMWPE 復(fù)合材料，使其在低速、重載苛刻使役工況下減摩抗磨性能顯著提高［50］。同時(shí)，制備了聚丙烯酸鈉（PAANa）／UHMWPE 復(fù)合材料并研究了其在海水潤(rùn)滑下的摩擦學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)復(fù)合材料可適量水解形成含COO－的大分子鏈和Na＋，復(fù)合材料表面從海水中吸附Ca2＋和Mg2＋形成CaCO3和Mg（OH）2，沉積在復(fù)合材料表面從而降低了其摩擦因數(shù)和磨損率［51］。并基于此研究，使用四苯基錫（Ph4Sn）作為增強(qiáng)劑，制備出PAANa／Ph4Sn／UHMWPE 新型聚合物復(fù)合材料，使其抗磨損性能顯著提高［52－53］。同時(shí)，還研究了PI／UHMWPE 復(fù)合材料在海水條件下與錫青銅配副的摩擦學(xué)行為，結(jié)果表明隨著PI 比例的增加，PI／UHMWPE 復(fù)合材料的磨損率先降低后升高［54］。

對(duì)于大多數(shù)的聚合物復(fù)合材料體系而言，不同組分之間的界面結(jié)合力較差，復(fù)合材料組分之間的相分離會(huì)影響填料和添加劑在復(fù)合材料中的均勻分散。目前主要通過化學(xué)或物理方法對(duì)填料表面進(jìn)行改性，可以增加界面結(jié)合強(qiáng)度。或者與相容劑共混，可以形成穩(wěn)定的界面并提高界面結(jié)合強(qiáng)度。

3 織構(gòu)化表面調(diào)控技術(shù)

表面織構(gòu)技術(shù)已被廣泛認(rèn)為是改善各種材料摩擦學(xué)性能的有效手段，并已成功應(yīng)用于許多領(lǐng)域，包括氣缸套－活塞環(huán)的流體潤(rùn)滑、軸承和機(jī)械密封等［55－57］。表面織構(gòu)是通過精密機(jī)械加工、3D 打印、微壓印、激光表面處理等加工工藝，在摩擦表面制備凹坑、凹槽、凸起等特定形狀、排布和尺寸的微陣列結(jié)構(gòu)，以改善界面潤(rùn)滑狀態(tài)和摩擦學(xué)性能。目前，關(guān)于水環(huán)境中聚合物摩擦副表面織構(gòu)化調(diào)控的研究主要集中在表面織構(gòu)的形態(tài)、尺寸和微結(jié)構(gòu)分布等方面。

GHEISARI 和POLYCARPOU［58］研究了表面織構(gòu)對(duì)芳香族熱固性共聚物（ATSP）在海水潤(rùn)滑下摩擦學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)微織構(gòu)可以有效地降低摩擦因數(shù)，在海水環(huán)境下沉積鹽可能會(huì)使摩擦界面產(chǎn)生一層轉(zhuǎn)移膜，同時(shí)微織構(gòu)還可以顯著減輕配副金屬表面的氧化程度。CHANG 等［59］在UHMWPE 表面設(shè)計(jì)了3種Koch 雪花狀織構(gòu)并研究其在水潤(rùn)滑條件下的磨損過程，發(fā)現(xiàn)織構(gòu)試樣的磨損機(jī)制是輕微的磨料磨損，具有復(fù)合織構(gòu)的UHMWPE 的磨損性能優(yōu)于單一織構(gòu)（如圖4（a）所示）。GUO 等［60］利用3D 打印技術(shù)制造了多種球面平臺(tái)織構(gòu)HDPE 試樣，研究了表面球面平臺(tái)織構(gòu)參數(shù)對(duì)水潤(rùn)滑條件下材料摩擦學(xué)性能的影響。研究認(rèn)為球面平臺(tái)織構(gòu)對(duì)水潤(rùn)滑軸承的摩擦學(xué)性能有積極影響，其中1／2 球面平臺(tái)織構(gòu)的試樣顯示出促進(jìn)楔形效應(yīng)和潤(rùn)滑空化效應(yīng)的最佳能力，從而改善了材料的摩擦學(xué)性能（如圖4（b）所示）。

圖4 聚合物材料表面織構(gòu)在水潤(rùn)滑環(huán)境下的摩擦學(xué)性能：（a）Koch 雪花狀織構(gòu)［59］；（b）球面平臺(tái)織構(gòu)［60］；（c）半球形凹坑、三角形凹坑和橢圓形凹坑［65］；（d）微凸起織構(gòu)［67－69］Fig.4 Tribological properties of surface textures of polymer materials under water－lubricated environment：（a）Koch snowflake textures［59］；（b）spherical－platform textures［60］；（c）hemispherical pits，triangular pits and ellipsoidal pits［65］；（d）micro convex textures［67－69］

仿生織構(gòu)是仿照生物體表特殊的紋理結(jié)構(gòu)在摩擦副表面加工出能夠?qū)崿F(xiàn)減摩降阻和潤(rùn)滑效果的微／納結(jié)構(gòu)［61］。人們觀察和研究了大量的生物體表結(jié)構(gòu)，如鯊魚、甲蟲和蛇，發(fā)現(xiàn)這些生物體表一般都有很好的解吸、減黏、減阻、耐磨的功能，這些功能與體表的非光滑形態(tài)密切相關(guān)［62－64］。為了提高運(yùn)動(dòng)副工作表面的潤(rùn)滑性和耐磨性，研究人員將生物表面的非光滑結(jié)構(gòu)應(yīng)用于摩擦副部件的各種表面，探索了表面仿生織構(gòu)對(duì)材料摩擦學(xué)性能的影響。WANG 等［65］受蛇、甲蟲、高爾夫球表面形貌啟發(fā)，在碳纖維增強(qiáng)PEEK復(fù)合材料表面加工出半球形凹坑、三角形凹坑和橢圓形凹坑3 種仿生織構(gòu)，研究了海水潤(rùn)滑下光滑和非光滑表面對(duì)復(fù)合材料摩擦學(xué)性能的影響。結(jié)果表明，表面織構(gòu)有利于提高材料摩擦因數(shù)的穩(wěn)定性，其中橢圓凹坑織構(gòu)試樣的減摩抗磨效果最好；合理的表面織構(gòu)化設(shè)計(jì)能有效地儲(chǔ)存海水和磨屑并產(chǎn)生流體動(dòng)壓潤(rùn)滑作用，既減少了黏附磨損又防止了摩擦面之間的直接接觸（如圖4（c）所示）。LIANG 等［66］也研究了半球形凹坑織構(gòu)對(duì)碳纖維增強(qiáng)PEEK 復(fù)合材料海水潤(rùn)滑下摩擦學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)摩擦副表面的半球形凹坑織構(gòu)產(chǎn)生了流體動(dòng)力潤(rùn)滑效應(yīng)，減少了磨料磨損。武漢理工大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)受生物體表面微凸結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，在聚合物材料表面制備了一系列凸起織構(gòu)，并研究了其對(duì)材料水潤(rùn)滑條件下摩擦學(xué)性能的影響（如圖4（d）所示）。其中，GUO 等［67］在UHMWPE 表面加工了圓柱體、長(zhǎng)方體和立方體3 種凸起織構(gòu)，測(cè)試發(fā)現(xiàn)3 種凸形織構(gòu)對(duì)改善材料的摩擦學(xué)性能有積極作用，表面織構(gòu)可以穩(wěn)定摩擦性能，降低磨損率，減少摩擦副的磨蝕和黏著磨損。HU 等［68］使用3D 打印技術(shù)制備了12 種球形凸起織構(gòu)的TPU 材料，在水潤(rùn)滑條件下的摩擦學(xué)行為分析結(jié)果表明，球形凸起織構(gòu)有利于清除表面的磨損碎片，減少了摩擦副之間的黏著，加強(qiáng)了水流的楔子效應(yīng)和空化效應(yīng)。CUI 等［69］通過3D 打印技術(shù)在TPU 表面制備了不同尺寸的菱形凹／凸織構(gòu)，在水潤(rùn)滑條件下測(cè)試其摩擦學(xué)性能。研究發(fā)現(xiàn)菱形表面織構(gòu)通過匯聚和空化效應(yīng)產(chǎn)生了額外的流體動(dòng)壓潤(rùn)滑作用，并可以防止磨料顆粒在摩擦表面堆積，有效改善TPU 材料的摩擦和磨損性能。

對(duì)于聚合物材料表面織構(gòu)制備而言，傳統(tǒng)的機(jī)械加工、模壓成型技術(shù)存在加工精度不足，模具加工繁瑣等問題，激光表面處理可以實(shí)現(xiàn)表面改性和表面織構(gòu)化調(diào)控的結(jié)合，但是高強(qiáng)度的激光輻照容易對(duì)聚合物表面造成損傷，而利用3D 打印技術(shù)制備表面織構(gòu)不需要加工模具，也不會(huì)對(duì)聚合物表面造成破壞，具有廣闊的發(fā)展前景。目前，大量的研究主要是針對(duì)織構(gòu)形狀參數(shù)對(duì)比分析并進(jìn)行摩擦學(xué)測(cè)試，不同的研究人員只針對(duì)某種材料進(jìn)行織構(gòu)研究，如何將表面織構(gòu)技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)地利用成為一大難題。此外，對(duì)于表面織構(gòu)和其他改性方法協(xié)同作用對(duì)聚合物摩擦副表／界面潤(rùn)滑狀態(tài)的調(diào)控還沒有被系統(tǒng)地探討，也是未來的研究方向之一。

4 功能化水潤(rùn)滑表面調(diào)控技術(shù)

水分子整體上是電中性的，但由于氫原子和氧原子上的殘余電荷，它們具有很強(qiáng)的偶極子。因此，水分子可以在極性基團(tuán)周圍形成一個(gè)水合層［70－73］。此外，當(dāng)水合電荷相互接近時(shí)會(huì)發(fā)生排斥作用，避免了水合層的重疊，使水化層具有較小的剪切模量。在水合潤(rùn)滑中，滑動(dòng)界面上的帶電基團(tuán)可以通過較強(qiáng)的靜電作用固定水合的異性帶電基團(tuán)。因此，水合層在摩擦過程中可以承受較大的法向壓力而不被擠出［74］?；谒蠞?rùn)滑的機(jī)制，添加水合分子可以有效降低界面摩擦，因此通過添加極性基團(tuán)制備水合潤(rùn)滑聚合物復(fù)合材料已成為調(diào)控涉水工程裝備用聚合物界面摩擦的有效方法之一。

聚合物基水合潤(rùn)滑材料主要通過引入聚合物刷、微膠囊和水凝膠來制備［75］。聚合物刷是通過將聚合物鏈接枝到基體表面，在分子鏈之間的空間阻礙效應(yīng)和排斥力的作用下，接枝的聚合物鏈形成垂直于基體表面的刷狀結(jié)構(gòu)［76］。YUAN 等［77］通過將羧酸鹽陰離子嫁接到環(huán)氧樹脂基體中合成了一種帶負(fù)電的材料，當(dāng)使用NaCl 溶液作為潤(rùn)滑劑時(shí)，改性環(huán)氧樹脂在低速條件下顯示出更好的摩擦學(xué)性能。然而，環(huán)氧樹脂基體的機(jī)械強(qiáng)度較差，需開發(fā)機(jī)械強(qiáng)度更好的負(fù)電性材料來拓展其工程應(yīng)用范圍?；诖耍琘UAN 和ZHANG［78］進(jìn)一步開發(fā)了一種具有超低摩擦力、良好的耐磨性和高負(fù)載能力的磺化PEEK（SPEEK）水潤(rùn)滑摩擦副材料，在質(zhì)量分?jǐn)?shù)3% NaCl 溶液中表現(xiàn)出良好的摩擦學(xué)性能。研究結(jié)果表明摩擦副上帶負(fù)電荷的－S基團(tuán)可以通過靜電相互作用吸附水合Na＋陽離子，這些水合Na＋陽離子具有較高的負(fù)載能力和較低的剪切阻力。為了解決聚合物水潤(rùn)滑軸承材料在低速和重載下難以形成有效潤(rùn)滑導(dǎo)致摩擦引起的異常振動(dòng)和噪聲的問題，LIU 等［79］在丁腈橡膠（NBR）表面接枝聚乙二醇（PEG）（PEG－g－sNBR）并研究了PEG－g－sNBR 水潤(rùn)滑條件下的摩擦學(xué)行為，結(jié)果表明PEG－gsNBR 可以在較低的轉(zhuǎn)速下形成潤(rùn)滑膜，從而表現(xiàn)出優(yōu)異的摩擦學(xué)性能和減振性能（如圖5（a）所示）。CAI 等［80］利用紫外光誘導(dǎo)表面接枝法在UHMWPE粉末表面接枝聚丙烯酸（PAA）潤(rùn)滑層，成功模壓制備UHMWPE－g－AA 材料并研究其在海水潤(rùn)滑下的摩擦學(xué)性能。研究發(fā)現(xiàn)PAA 潤(rùn)滑層及其對(duì)海水中水合陽離子的吸附增強(qiáng)了潤(rùn)滑膜的潤(rùn)滑效應(yīng)，顯著改善了材料低載荷條件下摩擦界面的潤(rùn)滑性（如圖5（b）所示）。

圖5 PEG－g－sNBR 聚合物刷的制備示意（a）［79］，海水潤(rùn)滑條件下UHMWPE－g－AA 的潤(rùn)滑機(jī)制示意（b）［80］，微膠囊的潤(rùn)滑機(jī)制（c）［83］，復(fù)合材料潤(rùn)滑機(jī)制（d）［89］Fig.5 Schematic of the preparation of PEG－g－sNBR brush（a）［79］，schematic of the lubrication mechanism of UHMWPE－g－AA under seawater lubrication conditions（b）［80］，lubrication mechanism of microcapsules（c）［83］，the lubricating mechanisms of composites（d）［89］

鐵梨木是一種常用的水潤(rùn)滑艉軸承材料，具有高硬度、高強(qiáng)度、水環(huán)境中摩擦學(xué)性能優(yōu)異等特點(diǎn)，但是鐵梨木材料水環(huán)境中尺寸穩(wěn)定性差且資源稀少。楊宗榕等［81］通過對(duì)鐵梨木材料微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析并研究了表面微觀結(jié)構(gòu)對(duì)摩擦學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)樹脂外層覆蓋有殼狀結(jié)構(gòu)時(shí)樹脂能夠穩(wěn)定地存在，殼狀結(jié)構(gòu)被破壞前有效地避免了樹脂與水的接觸；同時(shí)以鐵犁木的自潤(rùn)滑實(shí)現(xiàn)機(jī)制為指導(dǎo)，設(shè)計(jì)了以70 N 基礎(chǔ)油為芯材的仿生微膠囊添加到高聚物材料中，發(fā)現(xiàn)微膠囊結(jié)構(gòu)有效地避免了潤(rùn)滑劑在低速重載的工況下因泄漏而失去功效，同時(shí)保證材料在磨損劇烈階段微膠囊能破裂釋放潤(rùn)滑劑對(duì)磨損區(qū)域進(jìn)行潤(rùn)滑。基于該研究，武漢理工大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)分別制備了芯材為石墨、棕櫚酸棕櫚酯、潤(rùn)滑劑N，N－亞乙基雙硬脂酰胺、芥酸酰胺和MoS2，壁材為脲醛樹脂（UF）的微膠囊，與UHMWPE、HDPE 共混制成復(fù)合材料，發(fā)現(xiàn)微膠囊能夠降低材料的摩擦因數(shù)并且使摩擦因數(shù)變化更為穩(wěn)定［82－85］，優(yōu)化了復(fù)合材料的磨損表面形態(tài)從而改善了其摩擦學(xué)性能（如圖5（c）所示）。

水凝膠是一種具有三維交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的軟物質(zhì)材料，在水中可以高度溶脹、吸收并保持大量水分，其大分子鏈上的水合層能夠在摩擦中提供高效的潤(rùn)滑作用［86］。WANG 等［87－88］提出了一種利用聚丙烯酰胺（PAAm）水凝膠的水合潤(rùn)滑來改善UHMWPE 和HDPE 摩擦學(xué)性能的復(fù)合策略，發(fā)現(xiàn)PAAm 碎片可以形成水合潤(rùn)滑層，顯著改善復(fù)合材料的摩擦學(xué)性能，但PAAm 水凝膠顆粒的引入降低了復(fù)合材料的機(jī)械強(qiáng)度?；谏鲜鲅芯浚琖ANG 等［89］進(jìn)一步通過用柔軟的PAAm 層修飾二維氧化石墨烯（GO）表面（如圖5（d）所示），將水合潤(rùn)滑和二維形狀效應(yīng)結(jié)合起來，以提高UHMWPE／GO 復(fù)合材料的性能，結(jié)果表明接枝在GO 上的PAAm 層在改善復(fù)合材料的承載能力和潤(rùn)滑條件方面發(fā)揮了重要作用。

綜上所述，通過引入聚合物刷、微膠囊和水凝膠來制備聚合物基水合潤(rùn)滑材料可以顯著改善復(fù)合材料的摩擦學(xué)性能，但是水合潤(rùn)滑膜的強(qiáng)度和承載能力有限，高載荷條件下容易發(fā)生潤(rùn)滑失效。因此，未來需要進(jìn)一步開展水合潤(rùn)滑與填料增強(qiáng)協(xié)同改性聚合物摩擦副材料的研究，同步提高復(fù)合材料的潤(rùn)滑和承載能力，拓展聚合物摩擦副材料在涉水工程裝備中的實(shí)際應(yīng)用。

5 總結(jié)與展望

高性能涉水工程材料的研究和發(fā)展為先進(jìn)的涉水工程裝備提供了有力支撐。其中，運(yùn)動(dòng)副部件在涉水極端環(huán)境下的磨損失效機(jī)制探索及減摩耐磨耐蝕新材料的開發(fā)是發(fā)展涉水工程裝備的關(guān)鍵應(yīng)用技術(shù)之一。文中圍繞涉水工程裝備用聚合物摩擦副材料改性這一關(guān)鍵科學(xué)問題，系統(tǒng)綜述了目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于水環(huán)境下聚合物摩擦副材料改性技術(shù)的研究進(jìn)展，為水環(huán)境下聚合物摩擦副潤(rùn)滑失效問題的解決提供了初步的方法和思路。雖然國(guó)內(nèi)外學(xué)者致力于研究涉水極端環(huán)境下聚合物材料的摩擦學(xué)問題，但對(duì)實(shí)驗(yàn)過程和數(shù)據(jù)的分析表明，在實(shí)際工程應(yīng)用方面仍有一些挑戰(zhàn)。未來對(duì)涉水工程裝備用聚合物摩擦副材料的制備技術(shù)和摩擦學(xué)研究方向可以從以下4 個(gè)方面展開：

（1）隨著高端涉水裝備的快速更新?lián)Q代，其摩擦工況也日益苛刻，高速、高壓、重載、啟停等多因素強(qiáng)耦合環(huán)境對(duì)運(yùn)動(dòng)部件摩擦副材料的性能提出了更高的要求。因此，開發(fā)高性能、長(zhǎng)壽命的自潤(rùn)滑聚合物基摩擦副材料，仍是未來研究方向之一。

（2）基于實(shí)際工程應(yīng)用的要求，聚合物摩擦副材料在水環(huán)境中須同時(shí)具備良好的強(qiáng)度和尺寸穩(wěn)定性。利用表面改性技術(shù)或親水性聚合物材料的設(shè)計(jì)雖然可以改善摩擦副表界面潤(rùn)滑狀態(tài)，但是親水性填料或改性表面吸水后會(huì)發(fā)生溶脹、弱化，這不利于摩擦副材料在水中的穩(wěn)定性。因此，如何設(shè)計(jì)具有一定尺寸與性能穩(wěn)定性的親水性聚合物復(fù)合材料仍具有一定的挑戰(zhàn)性。

（3）水環(huán)境十分復(fù)雜，導(dǎo)致涉水工程裝備運(yùn)動(dòng)副所面臨的摩擦學(xué)問題復(fù)雜多樣，磨損、腐蝕、高壓等因素及其交互作用對(duì)聚合物摩擦副材料的可靠性指標(biāo)和服役壽命提出了更高的要求。因此，對(duì)聚合物摩擦副材料進(jìn)行多因素交互作用下的可靠性評(píng)價(jià)和壽命預(yù)測(cè)，是亟待解決的問題。

（4）目前聚合物材料的開發(fā)主要依靠傳統(tǒng)“試錯(cuò)法”，該類方法效率低、研發(fā)周期較長(zhǎng)，致使新型聚合物材料的研發(fā)速度無法滿足高性能裝備的發(fā)展需求。機(jī)器學(xué)習(xí)等人工智能技術(shù)用于聚合物及聚合物基復(fù)合材料成分優(yōu)化和智能篩選方面，可有效減少聚合物數(shù)據(jù)量且縮短材料開發(fā)周期等。因此，建立聚合物材料水環(huán)境下磨損與失效的數(shù)據(jù)庫(kù)，提出基于機(jī)器學(xué)習(xí)的新型聚合物功能材料設(shè)計(jì)與制備新方法，可以為涉水工程裝備用聚合物材料的發(fā)展提供新的思路。