田 穎，車清論，賀 仁，張 嘎，鄭少梅

(1.青島理工大學(xué)機械與汽車工程學(xué)院，山東 青島 266033；2.中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所固體潤滑國家重點實驗室，甘肅 蘭州 730000)

0 前 言

隨著“綠色發(fā)展”理念的推廣，水體環(huán)境污染問題得到社會的廣泛關(guān)注。在高技術(shù)船舶、海洋作業(yè)和水電裝備等領(lǐng)域，傳統(tǒng)油潤滑軸承存在的油泄露問題對水體環(huán)境造成極大污染，對水生生物以及人類的生存環(huán)境造成了極大的威脅[1，2]。水潤滑軸承直接以水作為潤滑介質(zhì)，可以有效避免潤滑油泄露造成水體污染問題，具有環(huán)境友好特性。水潤滑軸承的推廣和使用不僅節(jié)省了大量潤滑油，同時還簡化了傳統(tǒng)軸系結(jié)構(gòu)的設(shè)計，免去了復(fù)雜的密封結(jié)構(gòu)設(shè)計工作，軸承的后期維護和保養(yǎng)也更加便捷[3]。與此同時，水的比熱較大，在摩擦過程中可以有效帶走摩擦副的表面熱量，對摩擦生熱的冷卻效果顯著。

聚合物復(fù)合材料由于具有優(yōu)異的自潤滑特性、高化學(xué)穩(wěn)定性和減振降噪等特點，在水潤滑軸承設(shè)計制備方面具有顯著的優(yōu)勢，已廣泛應(yīng)用于水利、水電、船舶、海洋作業(yè)等高端裝備中。然而，水并非理想的潤滑介質(zhì)，水潤滑軸承用聚合物復(fù)合材料也面臨諸多挑戰(zhàn)[4，5]。水的黏度遠低于潤滑油的黏度，水膜承載能力較弱，在啟動、停止、低速和重載等工況下，摩擦副經(jīng)常在混合潤滑或邊界潤滑狀態(tài)下服役，這加劇了軸和軸承的磨損，嚴(yán)重時甚至可導(dǎo)致軸承失效。軸承內(nèi)襯的過度磨損會導(dǎo)致軸系結(jié)構(gòu)的間隙超過最大配合間隙，引起軸系傳動效率急劇下降的問題，還會引發(fā)摩擦振動和噪聲，部件嚴(yán)重磨損的同時造成大量的能量損耗。因此，提高水潤滑軸承用聚合物材料的摩擦學(xué)性能尤為重要。

目前，聚合物水潤滑軸承已成為各國企業(yè)和相關(guān)研究者們關(guān)注的一大熱點。自20 世紀(jì)40 年代末前蘇聯(lián)對水潤滑流體動壓和靜壓軸承特性展開了深入研究后，英國、德國、美國等國家也逐漸對水潤滑軸承的研究開展了大量工作。加拿大Thordon 軸承基于其優(yōu)異的耐磨性以及自潤滑特性，可穩(wěn)定應(yīng)用于船用艉軸承、螺旋槳軸、立式水泵和渦輪機等。德國Vickers 和Michell 公司研發(fā)了可用于深井泵和潛水泵中的水潤滑橡膠軸承。英國Tenmat Group 研發(fā)的無機纖維填充酚醛樹脂材料Feroform 軸承在船用舵軸承和艉軸承領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。長春安旨科技設(shè)計開發(fā)了適用于含泥沙工況的水潤滑軸承，耐形變能力強，可用于挖泥沙的鉸刀軸承。德國IGUS 公司還專門開發(fā)可在高溫水下運行的軸承。其他諸如瑞典的特瑞堡公司、日本東芝公司以及國內(nèi)的廣州研理復(fù)合材料科技有限公司和鄭州星航耐磨材料科技有限公司等研發(fā)的水潤滑軸承均在船舶和水泵等領(lǐng)域得到應(yīng)用。隨著我國高端裝備技術(shù)的發(fā)展，加快高性能聚合物水潤滑軸承的自主研發(fā)具有重要的社會和經(jīng)濟意義。國內(nèi)武漢理工大學(xué)、寧波大學(xué)、重慶大學(xué)以及中國艦船研究院、蘭州化學(xué)物理研究所、長春應(yīng)用化學(xué)研究所等機構(gòu)就水潤滑軸承的材料設(shè)計及潤滑理論等方面開展了大量研究。

本文綜述了水潤滑軸承常用聚合物材料的特性以及材料改性方法，闡述了聚合物材料在水潤滑狀態(tài)下的摩擦磨損機理，進一步探討了功能性填料、材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)和摩擦界面微觀機制與材料宏觀摩擦學(xué)性能的內(nèi)在關(guān)聯(lián)，可為研究和制備高性能水潤滑聚合物復(fù)合材料軸承提供一定的參考。

1 水潤滑軸承用聚合物復(fù)合材料

水潤滑軸承作為系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，其穩(wěn)定性和可靠性至關(guān)重要。然而，材料性能是決定軸承工作特性和使用壽命的一個重要因素。由于工作介質(zhì)發(fā)生改變，其材料選擇與傳統(tǒng)軸承相比存在較大差異。常用的軸承材料包括木質(zhì)基、金屬基、陶瓷基以及聚合物基材料等，分類如圖1 所示。最初應(yīng)用于水潤滑軸承的材料以鐵梨木為主，由于鐵梨木較為稀少，而后采用樺木板壓實的材料替代，但是天然木材的資源都是比較有限的，無法進行大規(guī)模、批量的生產(chǎn)和應(yīng)用，因此被迫利用化工合成材料進行替代，如橡膠復(fù)合材料、聚氨酯彈性體材料和其他工程塑料(超高分子量聚乙烯等)。

圖1 水潤滑軸承材料分類Fig.1 Classification of water lubricated bearing materials

1.1 橡膠復(fù)合材料

20 世紀(jì)40 年代，橡膠軸承開始逐漸被應(yīng)用到水泵和軸承等領(lǐng)域，與金屬軸承相比，橡膠材料具有更好的耐磨性、高彈特性和阻尼減振特性[6，7]。橡膠材料可以有效地防止沖擊，降低噪音?；谄涮赜械母邚椥?，可以有效減少因安裝誤差產(chǎn)生的附加載荷，通過彈性變形進行自動調(diào)整。在水潤滑狀態(tài)下，其摩擦系數(shù)大大降低，具有耐疲勞和吸收振動以及化學(xué)穩(wěn)定性高等優(yōu)點，常被用于船舶軸流泵、深井泵及立式水泵等領(lǐng)域。

然而，橡膠材料具有一些明顯的缺陷，如軸承徑向承載能力小、玻璃化轉(zhuǎn)變區(qū)內(nèi)有效阻尼溫域較窄、導(dǎo)熱能力較差以及加工操作精度低等，在復(fù)雜工況下的摩擦磨損較大，不利于軸承長時間在劇烈惡劣環(huán)境中使用。同時，砂-水條件下的過度磨損也是造成橡膠軸承失效的重要原因之一。研究表明，丁腈橡膠(NBR)軸承在砂-水條件下合適的運行載荷為0.1 ～0.5 MPa、滑動速度為0.33 ～1.10 m/s，適當(dāng)施加載荷對減弱“砂效應(yīng)”有一定的幫助[6，8]。與其他聚合物材料不同的是，在海水介質(zhì)中橡膠軸承表面易被腐蝕，但形成的表面微紋理織構(gòu)，可以進一步減小摩擦磨損，這可歸因于表面織構(gòu)減少了實際的固-固接觸面積，且在紋理溝槽內(nèi)可以儲存更多的潤滑水。綜上，橡膠材料基于其成本低、易成型、無污染等特點仍然是水潤滑軸承適用材料之一。

1.2 聚氨酯彈性體材料

聚氨酯彈性體(PU)是一種嵌段共聚物，具有很強的結(jié)構(gòu)和功能可設(shè)計性。其獨特性在于可通過對分子鏈中軟段和硬段的種類選擇、比例調(diào)節(jié)以及微相分離程度調(diào)控等方法在很大程度范圍內(nèi)調(diào)節(jié)母材的性能，如硬度、耐水性、耐熱性等。PU 具有優(yōu)異的耐磨性、高彈特性和抗磨粒磨損性能，與其他塑料軸承材料相比，PU 更適用于砂-水條件下，摩擦過程中PU 的彈性形變可以包容雜質(zhì)，減小對軸的過度磨損[9]。

然而PU 作為水潤滑軸承基體材料的局限性也已被發(fā)現(xiàn)，如低模量(低承載能力)、黏滑現(xiàn)象嚴(yán)重、耐熱性差、重載和低速下滑動時可能會發(fā)生運動系統(tǒng)咬合等[5，10]；并且由于PU 中極性基團的存在，使其具有一定的吸水性[11]。PU 常用于制備船舶艉軸承、舵軸承及水泵軸承。在保證其承載能力的前提下，選用彈性模量較低的PU 材料有利于提高最小水膜厚度，改善水潤滑軸承的摩擦磨損特性。

1.3 其他工程塑料

1.3.1 超高分子量聚乙烯

超高分子量聚乙烯(UHMWPE)因其優(yōu)異的摩擦響應(yīng)和力學(xué)性能被用作水潤滑軸承材料，常用于船艉軸承、齒輪軸承等設(shè)備。UHMWPE 的吸水率很低，在純水和海水中浸泡24 h 后硬度不會發(fā)生變化，暴露在水中8 周后吸水達到平衡狀態(tài)，且吸水率低于0.2%[12]。然而，UHMWPE 的耐熱老化性能較差，高溫和疲勞老化條件下會發(fā)生分子鏈斷裂、分子結(jié)構(gòu)變化及復(fù)雜的化學(xué)氧化反應(yīng)等問題，伴隨出現(xiàn)硬度降低、黏滑加劇、軟化效應(yīng)增強等現(xiàn)象，最終削弱材料的耐磨性。通常加入適當(dāng)?shù)目寡趸瘎?如維生素E)可以降低UHMWPE的熱氧化，延長其使用壽命[13]。UHMWPE的本體硬度較低，通過γ 射線和電子束輻射等方式可提高其交聯(lián)程度和硬度，進一步提高耐磨性，但材料硬度的提升不應(yīng)伴隨塑性的大幅下降，否則將會使材料快速失效[14]。

1.3.2 聚苯硫醚

聚苯硫醚(PPS)具有優(yōu)良的耐熱性、耐腐蝕性、高尺寸穩(wěn)定性和低吸水率，歸因于其分子中交替排布的苯環(huán)與硫原子使得鏈結(jié)構(gòu)具有較高的規(guī)整性，非常適用于水環(huán)境下工況；并且，PPS 還具有良好的粘結(jié)性，可以提高填料與基體之間的界面結(jié)合強度。研究表明[15，16]PPS 具有優(yōu)異耐磨性能的潤滑機制主要是摩擦過程中PPS 基體的部分分解和摩擦化學(xué)反應(yīng)化合物的形成，促進其在潤滑條件下在對偶上形成聚合物轉(zhuǎn)移膜，從而降低材料的磨損率。但是，未改性的PPS 材料脆性大、韌性較差、耐沖擊強度較低。

1.3.3 聚酰胺

聚酰胺(PA)具有較高的拉伸強度和沖擊強度、優(yōu)異的耐磨性和自潤滑特性，其性能優(yōu)異歸因于分子鏈中氫鍵的作用[17]。PA 材料多用于較高承載的摩擦和磨損工程零件，如滑動軸承和齒輪等。然而，PA 中酰胺基團的存在使其具有較高的吸水率，且材料尺寸穩(wěn)定性較差，吸水后的材料內(nèi)部氫鍵數(shù)目減少、表面塑化導(dǎo)致其表面力學(xué)性能和耐磨性能變差，這是限制PA 材料在水環(huán)境下應(yīng)用的重要原因。對于在水中長期運行、尺寸穩(wěn)定性要求較高且具有精密配合間隙的部件應(yīng)盡量避免采用PA 材料。

1.3.4 聚四氟乙烯

聚四氟乙烯(PTFE)因其高熔化溫度、極低的吸水率以及化學(xué)穩(wěn)定性好在摩擦學(xué)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[18，19]。相比于其他聚合物，PTFE 具有薄結(jié)晶層和無定形部分交替排列的帶狀結(jié)構(gòu)，其中無定形部分易于滑動，賦予其自潤滑特性。摩擦過程中，PTFE 分子鏈斷裂形成的活性基團與對偶金屬表面發(fā)生螯合反應(yīng)，可以提高轉(zhuǎn)移膜的穩(wěn)定性。遺憾的是，未改性的PTFE 力學(xué)性能和耐磨性較差，限制了其在摩擦領(lǐng)域的應(yīng)用，并且PTFE 本身具有疏水特性，致使其對偶配副表面的轉(zhuǎn)移膜在水環(huán)境中不易形成，降低了其自潤滑特性。

1.3.5 聚醚醚酮

聚醚醚酮(PEEK)具有優(yōu)異的力學(xué)性能、高的化學(xué)穩(wěn)定性、良好的耐磨性以及極低的吸水率等。PEEK 分子鏈上帶有大量親水性羰基，因此可通過氫鍵與水分子結(jié)合[20]，使滑動表面之間易于形成潤滑水膜。另一方面，水介質(zhì)可以帶走大量摩擦熱，降低PEEK 與對偶之間的界面溫度，與干摩擦條件相比，PEEK 在水潤滑條件下表現(xiàn)出更低的摩擦系數(shù)和磨損率。其使用的溫度范圍通常在-100～250 ℃之間，常用于高溫、高壓水泵領(lǐng)域。

2 水潤滑軸承潤滑及摩擦磨損機理

2.1 潤滑區(qū)間

根據(jù)Stribeck 曲線可將水潤滑軸承的潤滑狀態(tài)劃分為3 個區(qū)間:邊界潤滑、混合潤滑和流體潤滑，如圖2所示。在軸承運行期間，潤滑狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換主要取決于潤滑劑特性、速度和負載。軸與軸承之間的水膜會隨著轉(zhuǎn)動速度的不斷增加，由層流狀態(tài)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧鳡顟B(tài)，F(xiàn)eng 等[21]研究表明湍流狀態(tài)下的水膜具有更高的承載能力。在實際應(yīng)用過程中，聚合物軸承是常處于混合潤滑狀態(tài)的，局部接觸與流體潤滑狀態(tài)并存。當(dāng)軸承負載壓力過高時，局部潤滑水膜承載不足出現(xiàn)破裂，使得軸承面臨干摩擦狀態(tài)。特別是，在啟停和低速、重載狀態(tài)下水膜壓強低，摩擦副處于邊界和混合潤滑區(qū)間，固-固接觸承擔(dān)顯著或絕大部分載荷，從而加劇配副磨損以致失效。因此為延長軸承壽命，可通過調(diào)整聚合物材料分子結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)組元優(yōu)化和協(xié)同效應(yīng)，促進摩擦界面生長高性能固體轉(zhuǎn)移膜，避免摩擦副直接接觸，以彌補不良水膜邊界潤滑[22-25]。

圖2 水潤滑Stribeck 曲線及潤滑狀態(tài)示意Fig.2 Schematic of Stribeck curve and lubrication regimes

目前，船舶推進系統(tǒng)中的艉軸承、船用離心泵軸承及水泵等常采用聚合物復(fù)合材料，其固有特性對軸承潤滑狀態(tài)也存在一定影響。在軸承運行過程中復(fù)合材料軸承與水膜壓力之間存在雙向流固耦合作用，水膜壓力可引起不可忽略的軸承彈性變形，而軸承的彈性形變又會進一步影響水膜厚度。相比于金屬軸承，聚合物復(fù)合材料軸承受水壓作用可發(fā)生彈性形變更容易形成具有高膜厚比、高承載能力的彈流潤滑水膜[26]。高彈性模量聚合物軸承產(chǎn)生的彈性形變相對較小，進入彈流潤滑狀態(tài)較緩，水膜的形成滯后。聚合物材料表面帶有親水性基團可加快水膜在軸承表面的鋪展，有利于潤滑水膜的形成，而具有疏水特性的聚合物材料則相反。因此，選用具有自潤滑特性的聚合物材料，可避免軸承在干摩擦和邊界潤滑狀態(tài)下的過度磨損，保證軸承的持續(xù)運行。

2.2 聚合物復(fù)合材料水潤滑軸承磨損機理

聚合物復(fù)合材料水潤滑軸承常見的磨損形式為:磨粒磨損、疲勞磨損、黏著磨損以及腐蝕磨損等[27]，各種磨損形式的機理也不相同，通常以一種或幾種磨損機制為主導(dǎo)，伴隨其他多種磨損機制共存。聚合物在與硬質(zhì)金屬表面發(fā)生相對滑動的過程中，摩擦表面之間的相互作用形式主要由形變和黏附兩部分組成，如圖3 所示。較高的接觸應(yīng)力作用下聚合物材料表面發(fā)生變形，滑動過程中循環(huán)往復(fù)的作用力使表面發(fā)生周期性的疲勞破壞，局部表面在相互作用力下發(fā)生小塊狀疲勞脫落，并在之后的摩擦過程中造成磨粒磨損。除此之外，水介質(zhì)中的泥沙顆粒等雜質(zhì)也是造成磨粒磨損的重要因素。由于表面電荷或表面極性基團的作用，聚合物軸承表面與金屬軸界面存在范德華力，摩擦配副間存在黏附力[28]。摩擦界面存在粘滑現(xiàn)象并產(chǎn)生黏著磨損。當(dāng)摩擦表面為彈性體時，摩擦副間較大的實際接觸面積使得粘滑現(xiàn)象尤為顯著。粘滑運動會誘發(fā)配副持續(xù)性振蕩，產(chǎn)生摩擦震動和噪聲，對水潤滑軸承的平穩(wěn)性產(chǎn)生不利影響。

圖3 黏著磨損過程示意Fig.3 Schematic diagram of adhesive wear process

海水環(huán)境中伴隨著腐蝕與磨損的交互促進[25]，金屬對偶表面的鈍化層在摩擦過程中易被破壞，而暴露出的新鮮金屬更易于腐蝕，從而導(dǎo)致腐蝕與磨損的交互促進。研究者通過向金屬中添加合金元素和組元優(yōu)化增強鈍化層的穩(wěn)定性，或在金屬表面電鍍涂層減緩腐蝕的方法來延長金屬對偶的服役壽命[29，30]。隨著研究的不斷深入，在摩擦界面構(gòu)筑高性能轉(zhuǎn)移膜被發(fā)現(xiàn)是一種提高摩擦學(xué)性能的有效方法[22，25]，高性能轉(zhuǎn)移膜可避免摩擦副的直接接觸、增強金屬表面的鈍化效應(yīng)，顯著抑制腐蝕與磨損的交互促進。海水潤滑狀態(tài)下，介質(zhì)中的Ca2+和Mg2+會與摩擦副表面發(fā)生摩擦化學(xué)反應(yīng)并生成CaCO3和Mg(OH)2沉積漿狀物，得到更好的邊界潤滑作用[19]。然而，轉(zhuǎn)移膜的結(jié)構(gòu)和生長機理十分復(fù)雜，包含復(fù)雜的摩擦物理、摩擦化學(xué)和腐蝕產(chǎn)物，對其微觀作用機制與宏觀摩擦學(xué)特性內(nèi)在聯(lián)系的深入研究可為高性能水潤滑軸承材料結(jié)構(gòu)設(shè)計提供理論指導(dǎo)，進一步促進摩擦學(xué)理論的發(fā)展。

3 常用改性方法對聚合物材料摩擦學(xué)性能的影響

功能性填料的引入可激活基體的能量耗散機制(如基體剪切、裂紋的前緣釘扎和顆粒拔出等)并改變聚合物材料的磨損機制。此外，功能性填料可影響摩擦界面轉(zhuǎn)移膜的生長，優(yōu)化的功能性填料及耦合物可有效提高復(fù)合材料水潤滑條件下的摩擦學(xué)性能。常用的功能性填料包括微/納尺度的增強材料和固體潤滑劑(石墨、PTFE、二硫化鉬等)等。圖4 給出了常用的微/納尺度增強填料及其增強機制。

圖4 聚合物增強填料的分類、增強效果的影響因素和增強機理[31]Fig.4 Classification of reinforcing fillers，influencing factors of reinforcement effect，and strengthening mechanisms[31]

聚合物分子結(jié)構(gòu)的設(shè)計也可提高材料在水潤滑工況下的摩擦學(xué)性能，如互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)等。此外，耦合多功能填料、結(jié)合其功能優(yōu)異性、多角度改善復(fù)合材料摩擦磨損性能，可更有效地提高復(fù)合材料的摩擦學(xué)性能。

3.1 功能性填料引入對摩擦學(xué)性能的影響

3.1.1 增強纖維類填料

增強纖維顯著提高聚合物基體材料的強度、抗蠕變性能與承載能力等，與基體材料相比復(fù)合材料在水潤滑條件下表現(xiàn)出更高的摩擦學(xué)性能。研究表明，碳纖維和玻璃纖維等顯著提高UHMWPE、PU、PTFE、PEEK 等基體材料的力學(xué)性能，從而大大改善了材料在水潤滑條件下的摩擦學(xué)性能。Liang 等[32]研究了聚丙烯腈(PAN)纖維對PU 基復(fù)合材料摩擦學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)剛性PAN 纖維可有效降低PU 表面的應(yīng)力集中，提高PU 復(fù)合材料的硬度和耐磨性。Wang 等[33]研究發(fā)現(xiàn)玻璃纖維(GF)和碳纖維(CF)2 種填料均可降低UHMWPE復(fù)合材料的摩擦系數(shù)。聚合物基體中引入的增強纖維在摩擦過程中承擔(dān)了大部分載荷，減少了基體和對偶金屬表面之間的真實接觸面積，從而降低了摩擦與磨損。

纖維填料與基體之間的界面結(jié)合對復(fù)合材料的摩擦學(xué)性能有很大影響。Zhao 等[34]研究發(fā)現(xiàn)鈦酸鉀晶須(PTW)表面接枝活性基團可提高PTW 與PU 基體之間的界面結(jié)合力，顯著提高復(fù)合材料的拉伸強度和耐磨性。Wang 等[35]對比研究了玄武巖纖維(BF)和CF 增強PTFE 復(fù)合材料的摩擦學(xué)性能，結(jié)果表明CF 增強PTFE 復(fù)合材料的摩擦系數(shù)更低、磨損也更小。這是因為與BF 相比，CF 與PTFE 基體材料的界面附著力更高。若纖維與基體界面之間的結(jié)合力差會加快復(fù)合材料的吸水速率(如圖5 所示，圖中“Ⅰ”表示PTFE 基體中被水穿過的復(fù)合材料外表面，即材料表面液體滲透的區(qū)域；區(qū)域“Ⅱ”表示纖維周圍的界面自由空間，即水通過纖維表面?zhèn)鬏數(shù)綇?fù)合材料內(nèi)部的微通道；區(qū)域“Ⅲ”表示存儲在區(qū)域“Ⅱ”中的水通過纖維/基質(zhì)界面滲透的區(qū)域)，導(dǎo)致材料的吸水塑化，并進一步降低纖維與基體的界面粘結(jié)性[36]，使復(fù)合材料往往表現(xiàn)出較高的摩擦系數(shù)和磨損率。因此，纖維填料與樹脂基體間的界面結(jié)合直接影響著聚合物復(fù)合材料在水潤滑條件下的抗塑化能力和耐磨性能，良好的界面結(jié)合有利于提高水潤滑軸承材料的摩擦學(xué)性能。

圖5 BF/PTFE 復(fù)合材料和CF/PTFE復(fù)合材料吸水機理示意[35]Fig.5 Schematic diagrams of water absorption mechanisms of BF/PTFE composite and CF/PTFE composite[35]

纖維取向?qū)?fù)合材料的摩擦性能也有很大影響。Zhang 等[37]采用具有3 種取向(切向、徑向和軸向)的CF 增強PEEK，摩擦力作用下軸向纖維的復(fù)合材料沒有發(fā)生纖維脫粘和嚴(yán)重的基體剪切破壞現(xiàn)象，獲得了最佳的摩擦學(xué)性能。He 等[38]通過熱壓制備了不同取向聚酯纖維(PETF)改性UHMWPE 復(fù)合材料，并研究了具有不同纖維取向的復(fù)合材料的磨損機理，結(jié)果表明:隨機取向纖維復(fù)合材料的摩擦界面暴露的短纖維容易被破壞或拔出，導(dǎo)致基體的嚴(yán)重磨損；當(dāng)PETF 纖維沿摩擦方向(軸向)規(guī)則排列在UHMWPE 基體中時，可以有效地支撐摩擦界面，暴露的纖維承載大部分應(yīng)力且不易磨損，對基體的損傷很小。因此，軸向纖維增強的聚合物復(fù)合材料通常具有最佳的摩擦性能，這主要是因為軸向纖維可承擔(dān)更多的剪切應(yīng)力，有效減少摩擦過程中對基體的剪切作用。

3.1.2 固體潤滑劑

固體潤滑劑可有效降低聚合物復(fù)合材料的摩擦系數(shù)。PTFE、石墨、二硫化鉬(MoS2)、滑石粉和石墨烯等具有獨特層狀結(jié)構(gòu)的固體潤滑劑，在摩擦過程中分子的弱層間相互作用力使其具有易剪切特性，容易發(fā)生滑移，從而降低摩擦系數(shù)，表現(xiàn)出優(yōu)異的自潤滑特性。Qin 等[39]在填充UHMWPE 的丁腈橡膠(NBR)中引入石墨來提高軸承材料自潤滑能力，測試發(fā)現(xiàn)在低于0.18 m/s 條件下，復(fù)合材料的摩擦系數(shù)僅為美國軍事規(guī)范中限制值的一半，有效改善了橡膠軸承在低速下的摩擦學(xué)性能，該復(fù)合材料的力學(xué)性能也符合船舶標(biāo)準(zhǔn)的要求。Li 等[40]探究了不同含量氧化石墨烯(GO)對NBR 納米復(fù)合材料在干摩擦和水潤滑條件下的摩擦學(xué)性能的影響，研究發(fā)現(xiàn)GO/NBR 復(fù)合材料的摩擦系數(shù)和磨損率均隨GO 含量的增加而降低。其中GO 具有親水基團，復(fù)合材料表面可與水分子形成強氫鍵，使摩擦界面形成穩(wěn)定連續(xù)的水膜，進一步降低了摩擦磨損。

潤滑脂[41]和聚乙烯蠟(PEW)[42]等固體潤滑劑可通過摩擦生熱后熔融或軟化進入摩擦界面，形成具有低剪切強度的潤滑層，從而有效降低摩擦系數(shù)。

3.1.3 納米填料

目前，Al2O3、TiO2、ZnO 和CuO 等納米填料已廣泛應(yīng)用于PPS、PEEK、環(huán)氧樹脂(EP)、PU 和PTFE 等基體，可提高聚合物基體的硬度和韌性，同時還可以防止摩擦過程基體的裂紋擴展，有效改善耐磨性能。在大多數(shù)情況下，微量的納米填料就可以達到最佳的減摩作用，并且可以在保持甚至改善聚合物基體其他力學(xué)性能的同時提高耐磨性能。Díez-Pascual 等[43]發(fā)現(xiàn)納米TiO2增強PEEK/PEI 共混物可提高聚合物基體的力學(xué)性能和結(jié)晶度，同時降低了吸水率。在TiO2含量為4.0%時復(fù)合材料具有最佳的摩擦學(xué)性能，相比于純共混物，復(fù)合材料的摩擦系數(shù)降低了34%。

部分納米顆粒通過促進摩擦界面形成高性能轉(zhuǎn)移膜，減小摩擦配副的真實接觸面積，從而降低摩擦磨損。如Xu 等[22]對比研究了SiC、h-BN 和Si3N43 種納米粒子增強PPS 在水潤滑條件下的摩擦學(xué)行為，結(jié)果表明，3 種納米粒子在摩擦過程中均會發(fā)生摩擦化學(xué)水解反應(yīng)，生成的水解產(chǎn)物可顯著提高轉(zhuǎn)移膜的承載能力，有效提高了復(fù)合材料的摩擦學(xué)性能，同時顯著抑制了金屬對偶的腐蝕。其中，SiC 和Si3N4的水解產(chǎn)物(SiO2凝膠)比h-BN 的水解產(chǎn)物(B2O3和H3BO3)更有效地提高轉(zhuǎn)移膜的承載能力。因此，通過在摩擦界面原位構(gòu)筑承載能力高和具有易剪切特性的轉(zhuǎn)移膜，是提高水潤滑軸承材料摩擦學(xué)性能的有效策略。

然而，納米填料在基體中易于發(fā)生聚集，使得填料的增強作用被弱化或者抵消，甚至?xí)?dǎo)致材料性能退化。目前常用于改善基體中填料分散性的方法有:改變加工工藝，如超聲輔助熔融混合或球磨法；填料表面改性處理，如石墨烯納米片表面硅烷化處理[44]、多壁碳納米管的氟化處理[45]等，實現(xiàn)填料與基體之間的強烈相互作用，改善納米顆粒分散。Liu 等[46]將納米SiO2表面進行羥基改性處理，制備了改性納米SiO2增強NBR 復(fù)合材料。改性前后的納米SiO2顆粒與基體之間的界面相互作用如圖6 所示，未改性的SiO2顆粒在基體內(nèi)存在內(nèi)摩擦并發(fā)生解離，形成裂紋。而羥基改性的SiO2與基體間的化學(xué)鍵合使其不易于從基體中分離、剝落，同時也起到了限制NBR 中分子鏈運動的作用，降低摩擦副的溫度峰值，減少摩擦熱引起的塑性形變磨損，顯著增強了復(fù)合材料的耐磨性。

圖6 納米SiO2顆粒、表面羥基改性納米SiO2顆粒與復(fù)合材料摩擦過程中的界面相互作用[46]Fig.6 Interactions between nano SiO2 particles and surface hydroxy modified nano-SiO2 particles and the composite in the wear process [46]

3.1.4 多元耦合協(xié)同作用

通常，加入PTFE 或石墨等固體潤滑劑可降低摩擦界面剪切強度或形成減少摩擦的轉(zhuǎn)移膜；連續(xù)或短的CF、GF 或芳綸纖維等可增加聚合物基體的剛度和強度；納米顆粒引入同時提高基體材料的硬度和韌性，阻礙基體裂紋擴展，釋放到摩擦界面的粒子還可以分離摩擦表面的直接接觸。功能各異的填料可從強度、剛度等多角度改善聚合物材料，激發(fā)多元填料在聚合物基體中的耦合協(xié)同作用，促進摩擦界面轉(zhuǎn)移膜的形成，被證明是一種有效實現(xiàn)聚合物復(fù)合材料高耐磨性的方法[38]。

對聚合物復(fù)合材料在干摩擦狀態(tài)下的轉(zhuǎn)移膜形成已經(jīng)開展了大量研究，結(jié)果表明在摩擦副表面形成具有高承載能力、高自潤滑特性和高穩(wěn)定的轉(zhuǎn)移膜是復(fù)合材料表現(xiàn)出優(yōu)異摩擦磨損性能的關(guān)鍵因素[47]。然而，對于水潤滑而言，尤其當(dāng)?shù)鳛樽匀粷櫥橘|(zhì)時，摩擦界面轉(zhuǎn)移膜的生成會受到抑制。一方面摩擦界面上存在水分子會阻礙聚合物材料轉(zhuǎn)移到對偶金屬表面[48]；另一方面，作為潤滑介質(zhì)的水降低了界面溫度，抑制了某些摩擦物理和化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生，這對于形成高性能的轉(zhuǎn)移膜至關(guān)重要。因此，在水介質(zhì)中缺乏高性能轉(zhuǎn)移膜也是造成聚合物復(fù)合材料表現(xiàn)出更高磨損的重要原因。

深入研究邊界和潤滑狀態(tài)下自潤滑材料的摩擦磨損機制，通過界面材料轉(zhuǎn)移和摩擦化學(xué)反應(yīng)調(diào)控，改變摩擦化學(xué)的驅(qū)動條件，構(gòu)筑高性能轉(zhuǎn)移膜是提高材料摩擦學(xué)性能的重要途徑。Xu 等[25]研究發(fā)現(xiàn)，將h-BN納米顆粒引入到短碳纖維(SCF)增強的PEEK 中可促進摩擦界面轉(zhuǎn)移膜的形成，圖7 給出了轉(zhuǎn)移膜橫截面高分辨率透射電鏡(TEM)和EDX 線掃描分析結(jié)果，證實了摩擦界面轉(zhuǎn)移膜的形成。h-BN 納米顆粒在摩擦過程中可發(fā)生水解反應(yīng)，生成H3BO3和B2O3，通過TEM表征分析發(fā)現(xiàn)了二者的晶格條紋(圖7d 和7e)。研究認為摩擦化學(xué)產(chǎn)物參與轉(zhuǎn)移膜構(gòu)筑并顯著提高轉(zhuǎn)移膜的承載能力，同時提高了聚合物-金屬摩擦副的摩擦學(xué)和耐腐蝕性能。Gao 等[23]發(fā)現(xiàn)銅納米線的加入也可促進SCF 增強PEEK 復(fù)合材料轉(zhuǎn)移膜的形成。由于SCF的高硬度使其末端產(chǎn)生更多的摩擦熱，在一定程度上可以彌補水吸收的熱量。通過X 射線光電子能譜檢測分析，認為添加的銅納米線在摩擦過程中發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，其摩擦產(chǎn)物CuO 和Cu(OH)2在摩擦界面參與形成高性能轉(zhuǎn)移膜，有效減少了摩擦界面的接觸，降低了摩擦系數(shù)和磨損。同時，他們還探究了針鐵礦(α-FeOOH)納米顆粒填充PEEK 復(fù)合材料在水潤滑狀態(tài)下的摩擦學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)摩擦過程中α-FeOOH 納米粒子作為脫水反應(yīng)的前驅(qū)體，促進了雜化結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移膜的形成，提高了復(fù)合材料在水潤滑中的摩擦學(xué)性能[24]。

圖7 在海水中以100 N 的載荷與PEEK/SCF/h-BN 滑動后鋼表面形成的轉(zhuǎn)移膜橫截面TEM 圖和EDX 線掃描[25]Fig.7 Overview TEM graph and of the cross-section of transfer film formed on steel surface after sliding against PEEK/SCF/h-BN at 100 N in sea water[25]

摩擦副表面形成具有潤滑特性的高性能轉(zhuǎn)移膜可避免摩擦副的直接接觸，有效提高材料的摩擦磨損性能。水潤滑條件下生成的轉(zhuǎn)移膜通常極薄，對其結(jié)構(gòu)和性能的定量分析通常需要借助先進的納米尺度表征技術(shù)。目前，人們對水潤滑狀態(tài)下轉(zhuǎn)移膜的形成和影響材料宏觀摩擦學(xué)行為的一般規(guī)律和作用機制還有待更深入的研究。

3.2 聚合物共混對摩擦學(xué)性能影響

聚合物共混也是提高復(fù)合材料性能常用的一種方法，通過均衡各聚合物的優(yōu)異特性，獲得綜合性能更高的聚合物復(fù)合材料。如傳統(tǒng)的PU 耐熱差，通過與熱穩(wěn)定性更高的聚合物(聚二甲基硅氧烷等)共混或共聚來改變其物理或化學(xué)結(jié)構(gòu)，是提高復(fù)合材料的耐熱性行之有效的方法。橡膠軸承常采用與阻尼性能更高的基體材料熔融共混改性，提高其減振降噪特性，避免造成嚴(yán)重的環(huán)境噪聲污染，獲得寬溫度和頻率范圍的高性能阻尼材料。Lu 等[49]設(shè)計并制備了一種氯化丁基橡膠(CIIR)、氯丁橡膠(CR)與NBR 三元共混的高阻尼特性復(fù)合材料，在共混質(zhì)量比為80 ∶20 ∶30 時，復(fù)合材料可達到160 ℃的寬溫度范圍的高阻尼特性，為橡膠軸承材料設(shè)計開辟了新思路。

除普通的二元、三元共混外，互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)作為共混的一種特殊方式引起了研究者的極大關(guān)注。Yu等[50]將PU 與EP 共混，制備了具有互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)(IPN)的復(fù)合材料，不同比例PU/EP 的互穿網(wǎng)絡(luò)形態(tài)如圖8 所示。少量PU 引起基體內(nèi)發(fā)生黏彈性相分離，復(fù)合材料可有效結(jié)合EP 的高承載和PU 的高彈性，表現(xiàn)出更高的力學(xué)性能和摩擦學(xué)性能。然而，當(dāng)PU 含量逐步增加至70%時，基體內(nèi)演變出雙連續(xù)結(jié)構(gòu)，使材料磨損加劇。Qu 等[51]通過溶液共混和熱壓成型的方法制備了一種丁腈橡膠/聚氨酯/環(huán)氧樹脂(NBR/PU/EP)新型三元(IPN)復(fù)合材料，IPN 結(jié)構(gòu)有效提高了復(fù)合材料的阻尼溫度范圍，與純NBR 相比增加了54.1%，同時摩擦系數(shù)和比磨損率也顯著降低。

圖8 3PU/7EP 互穿網(wǎng)絡(luò)、5PU/5EP 互穿網(wǎng)絡(luò)和7PU/3EP 互穿網(wǎng)絡(luò)的形態(tài)演化示意[50]Fig.8 Schematic representation of morphological evolution in 3PU/7EP IPN，5PU/5EP IPN and 7PU/3EP IPN[50]

3.3 水合作用對摩擦學(xué)性能的影響

水合復(fù)合材料主要通過吸附水分子在材料表面形成水合潤滑層，有效地分離摩擦配副直接接觸，改善潤滑狀態(tài)，從而減小摩擦磨損。Xiong 等[52]研究了兩性2-甲基丙烯酰氧乙基磷酰膽堿聚合物(PMPC)接枝UHMWPE 復(fù)合材料的潤滑性能。PMPC 在UHMWPE表面形成親水性聚合物層，吸附大量水分子，提高了材料的潤濕性。PMPC 層的高水合作用在摩擦界面提供了有效的潤滑，改性試樣摩擦系數(shù)遠低于未處理的UHMWPE，磨損率降低46%。此外，水合作用可與潤滑添加劑結(jié)合，進一步改善復(fù)合材料的摩擦性能。Wang等[53]將聚丙烯酰胺(PAAm)水凝膠與GO 結(jié)合，制備了PAAm-GO 增強的UHMWPE 復(fù)合材料。該復(fù)合材料表現(xiàn)出更好的承載能力和潤滑性能，GO 可在基體中分散施加的載荷，提高UHMWPE 的力學(xué)性能，如圖9a所示。將PAAm 與GO 組合后，PAAm - GO 碎片在PAAm 作用下更易于吸附到摩擦表面，并吸附水分子在材料表面形成水合層，具有低的剪切阻力，為復(fù)合材料提供良好的水合潤滑，其機理如圖9b 所示，水合層的作用擴大UHMWPE 的應(yīng)用范圍并延長了使用壽命。

圖9 摩擦學(xué)機理的綜合分析[53]Fig.9 A comprehensive analysis of tribological mechanisms[53]

接枝改性的水合復(fù)合材料吸引水分子形成的水合潤滑層在改善復(fù)合材料水潤滑條件下的摩擦學(xué)性能方面起著非常有效的作用。然而，表面接枝聚合物分子刷或制備水凝膠層的技術(shù)目前還不夠成熟，水合層的耐久性較差，還需要更深入的研究。

4 水潤滑聚合物軸承的結(jié)構(gòu)設(shè)計

水潤滑軸承的結(jié)構(gòu)設(shè)計關(guān)系到潤滑水膜的形成和軸承的使用壽命，通常其結(jié)構(gòu)設(shè)計包括軸承開槽形式、軸承間隙比、水槽形狀及分布等。聚合物復(fù)合材料軸承還需要進一步考慮軸承的流固耦合作用，與金屬軸承相比，聚合物軸承在使用過程中會產(chǎn)生較大的彈性形變，這對軸承的摩擦系數(shù)、水膜分布以及軸承的承載能力均有影響。

4.1 軸承整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

聚合物水潤滑軸承通常以有無凹槽2 種設(shè)計為主，如圖10 所示。有槽和無槽的設(shè)計影響軸承表面流體動壓膜的形成速度及軸承的承載能力。流體動力學(xué)計算表明，有凹槽的軸承表面實現(xiàn)流體動力膜的速度是無槽軸承的2 倍左右，這主要是由于軸承上的溝槽可以使?jié)櫥苋菀走M入到軸與軸承的接觸表面[54]。但是，相比之下，光滑的軸承表面可以產(chǎn)生的水膜動壓力更高，使得軸承的承載能力更高，這是因為未開槽的光滑表面壓力分布是連續(xù)的。

圖10 軸承水槽分布示意[55]Fig.10 Diagram of bearing water tank distribution[55]

現(xiàn)在大部分的軸承均采用開槽的結(jié)構(gòu)設(shè)計，一方面有利于潤滑介質(zhì)快速進入界面，同時冷卻摩擦生熱；另一方面，可以沖刷泥沙顆粒、污染物以及磨屑等，防止造成進一步的嚴(yán)重磨損。水槽的開設(shè)位置、數(shù)量和形狀對軸承的承載特性和潤滑特性也存在重要影響。水槽的開設(shè)位置分為承載區(qū)和非承載區(qū)，將水槽開設(shè)在承載區(qū)對軸承承載力的削弱最大。同時，軸承的承載力會隨著水槽數(shù)量的增多而下降，摩擦系數(shù)和水膜最大壓強比等隨之增大。王艷真等[55]研究表明，在非承載區(qū)開設(shè)多個水槽的承載力比未開設(shè)水槽的承載力小，開設(shè)周向均布的8 水槽時，軸承偏心率最大，承載能力減弱最顯著。因此，水潤滑軸承的結(jié)構(gòu)設(shè)計為保證其散熱、排沙和潤滑水量時需要犧牲一部分承載能力來實現(xiàn)。水槽的形狀可在截面形狀和軸向形狀方面做出進一步優(yōu)化，截面形狀通常以U 形、V 形和梯形3種應(yīng)用最為廣泛，軸向以直槽、人字槽和螺旋槽最為常見，其特點如表1 所示。

表1 水潤滑軸承常見水槽形狀及特點Table 1 Water tank shapes and characteristics of water lubricated bearings

針對不同的軸承材料也會采用其他的設(shè)計結(jié)構(gòu)，如橡膠等導(dǎo)熱性較差的軸承會考慮配合金屬襯套設(shè)計，雖然軸承摩擦過程中產(chǎn)生的大部分熱量都是通過潤滑水的流動所帶走的，通過軸承的襯套材料進行的熱交換量是非常小的，但是當(dāng)軸承處于無水潤滑時，摩擦產(chǎn)生的熱量就需要靠襯套材料與周圍空氣的熱交換進行傳導(dǎo)。Litwin[56]試驗測試了PTFE-NBR-青銅3 層材料復(fù)合的水潤滑軸承性能，與純橡膠軸承相比，復(fù)合材料制備的軸承不僅綜合了橡膠本身的高彈性等優(yōu)點，同時也去除了橡膠軸承運動阻力高的缺點，在長時間的干摩擦下摩擦生熱減少。

4.2 軸承表面結(jié)構(gòu)設(shè)計

除了常規(guī)的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計方面外，軸承表面織構(gòu)化也可提高軸承的潤滑效果。Guo 等[57]設(shè)計了3 種帶有表面凸紋理織構(gòu)的UHMWPE 復(fù)合材料，測試發(fā)現(xiàn)這3 種凸織構(gòu)對提高復(fù)合材料的摩擦學(xué)性能均能起到積極作用。圖11 對比顯示了添加PVA 纖維的TPU 復(fù)合材料在水中浸漬前后的形貌，TPU 中加入的親水性PVA纖維在水環(huán)境下會吸水形成膨脹凸織構(gòu)，這可以提高材料對水介質(zhì)的親和力和表面儲存能力，同時還增強了流體動力潤滑效果，有效提高了復(fù)合材料的潤滑特性[58]。

圖11 添加PVA 纖維的TPU 在水中浸漬前后的表面三維形貌[58]Fig.11 3D morphologies of the surface of TPU filled with PVA fiber before and after immersion in water[58]

軸承結(jié)構(gòu)設(shè)計是十分復(fù)雜的，需要考慮的因素眾多。與傳統(tǒng)的剛性水潤滑軸承相比，具有彈性的水潤滑軸承(如橡膠、PU 等)表現(xiàn)出明顯的差異，軸與軸承之間的水膜壓力會使彈性材質(zhì)軸承發(fā)生偏轉(zhuǎn)，在軸承設(shè)計時需要考慮其中的流固相互作用。

5 結(jié)論與展望

水潤滑聚合物復(fù)合材料軸承具有環(huán)境友好、化學(xué)穩(wěn)定性高和減振降噪等特性而得到廣泛應(yīng)用，水潤滑軸承的推廣和使用帶來的經(jīng)濟效益和社會效益也是十分可觀的。但是，水潤滑軸承的潤滑特性及界面摩擦磨損機理研究是十分復(fù)雜的，涉及到潤滑區(qū)間、表面結(jié)構(gòu)、流固耦合作用及聚合物材料磨損機制等眾多因素影響。因此，為了實現(xiàn)水潤滑軸承的長足發(fā)展，深入探究其潤滑特性和磨損機理的研究是必要的。

(1)實際應(yīng)用過程中的聚合物水潤滑軸承的潤滑狀態(tài)是復(fù)雜多變的，常處于局部接觸與流體潤滑共存的狀態(tài)，配副間水膜不穩(wěn)定，帶來加劇軸承材料磨損甚至失效的風(fēng)險。因此，對軸承材料的多目標(biāo)優(yōu)化，減少配副間固-固接觸真實面積，降低軸承磨損是重要研究導(dǎo)向。

(2)水潤滑軸承的工作環(huán)境千差萬別，材料性能的差異也很大。需要對聚合物復(fù)合材料的特性進行更加系統(tǒng)性的研究和開發(fā)，深入探究材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)、摩擦界面微觀機制與材料宏觀摩擦學(xué)特性之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)。開發(fā)具有自潤滑性能、尺寸穩(wěn)定性好、高可靠、長壽命的新材料是重要的研究方向。

(3)在選用水潤滑軸承材料時應(yīng)進行綜合的分析和考慮，以確保機械運行的可靠性和維修的經(jīng)濟性等問題。因此，根據(jù)材料特性構(gòu)建“結(jié)構(gòu)設(shè)計-應(yīng)用條件-性能獲取”的三維數(shù)據(jù)庫是重要的發(fā)展方向，為制備高可靠、高性能的水潤滑軸承提供參考，在不久的將來，水潤滑軸承材料的研究和應(yīng)用將取得更大的進展。