楊東亞，田 松，任俊芬，王宏剛，高 貴,，陳生圣，李偉濤

當(dāng)今，對(duì)海洋環(huán)境日益關(guān)注，排放法規(guī)越發(fā)嚴(yán)格，必須盡量減少有害物質(zhì)的排放，而油作為船舶軸承的潤(rùn)滑介質(zhì)，一旦泄露，會(huì)造成污染影響海洋生態(tài)[1–4]。因此，水潤(rùn)滑軸承因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，環(huán)境適應(yīng)性好，運(yùn)行成本低且抗噪聲和抗沖擊性好等特點(diǎn)，發(fā)展?jié)摿薮骩5]。但是，水潤(rùn)滑軸承在低速、重載及啟停時(shí)，常會(huì)出現(xiàn)黏–滑現(xiàn)象，引起摩擦波動(dòng)與摩擦噪聲，導(dǎo)致壽命降低、噪聲增大，對(duì)艦艇的安全性和隱蔽性造成隱患[6]。此外，由于水膜的承載力較低，導(dǎo)致水潤(rùn)滑軸承常處于混合潤(rùn)滑甚至邊界潤(rùn)滑狀態(tài)，摩擦磨損加劇[4]。要解決上述難題，研制水潤(rùn)滑性更好的軸承材料很關(guān)鍵。

近些年，越來(lái)越多的橡膠–塑料復(fù)合材料被嘗試用于水潤(rùn)滑軸承，其性能表現(xiàn)優(yōu)異，抗振動(dòng)性好，抗沖擊性強(qiáng)，低噪聲且不會(huì)污染水環(huán)境。但缺點(diǎn)也很明顯：承載能力低，設(shè)計(jì)比壓低[2,4]，在啟動(dòng)、停機(jī)或低速運(yùn)轉(zhuǎn)等工況下會(huì)產(chǎn)生黏–滑現(xiàn)象，主要表現(xiàn)在摩擦振動(dòng)異常和摩擦噪聲過(guò)大，對(duì)艦船的軸承壽命和安全性帶來(lái)隱患。相比其他非金屬材料，超高分子量聚乙烯（ultra-high molecular weight polyethylene，UHMWPE）具有很好的耐摩擦性能、抗沖擊性能、抗老化性能和耐低溫性能[7]。但由于其分子量太高，導(dǎo)致其熔體黏度高，流動(dòng)性差，加工困難，與基體間界面結(jié)合強(qiáng)度低[8–9]。而聚四氟乙烯（PTFE）因?yàn)閮?yōu)異的潤(rùn)滑性能、化學(xué)穩(wěn)定性、耐腐蝕性、密封性和良好的抗老化性，在水潤(rùn)滑復(fù)合材料中被廣泛使用[10]。目前，用PTFE改性UHMWPE雖然在一定程度上改善了其摩擦系數(shù)，但工作時(shí)PTFE易從UHMWPE基體上脫落[11]，且受載時(shí)會(huì)產(chǎn)生蠕變，引起硬度變化，進(jìn)而影響復(fù)合材料性能[12–15]。納米碳化硅（Nano–SiC）具有較好的硬度、耐高溫性、耐磨性和耐腐蝕性等特點(diǎn)，是一種性能優(yōu)異的新型改性材料。在高分子聚合物間加入微量納米碳化硅可有效提升其摩擦性能和力學(xué)性能[16–20]，但針對(duì)納米材料改性艦艇傳動(dòng)系統(tǒng)水潤(rùn)滑材料摩擦磨損性能的研究鮮見。

作者針對(duì)PTFE填充UHMWPE–橡膠材料水潤(rùn)滑軸承工作時(shí)存在的黏–滑現(xiàn)象、低承載力、高磨損率等問(wèn)題，進(jìn)一步采用Nano–SiC對(duì)其改性，研究不同組分改性復(fù)合材料在不同載荷和速度下的摩擦磨損性能及對(duì)應(yīng)的表面形貌變化規(guī)律，旨在探究Nano–SiC在水潤(rùn)滑條件下對(duì)UHMWPE–橡膠復(fù)合材料摩擦磨損特性的影響，為艦艇傳動(dòng)系統(tǒng)水潤(rùn)滑軸承的優(yōu)化改進(jìn)提供試驗(yàn)依據(jù)和理論指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)部分

1.1 原料

超高分子量聚乙烯（UHMWPE）：牌號(hào)GUR–4150，平均粒徑120 μm。全硫化羧基丁腈橡膠：牌號(hào)VP501，平均粒徑為30～50 μm；聚四氟乙烯（PTFE）：牌號(hào)為XPP538，平均粒徑為25 μm，蘇威公司；Nano–SiC：平均粒徑為50 nm，合肥開爾納能源科技股份有限公司。

1.2 試樣制備

將超高分子量聚乙烯與丁腈橡膠、聚四氟乙烯、納米碳化硅按比例高速分散10 min，然后于Brabender混煉機(jī)中以177 ℃混煉30 min，取出樣塊在6 MPa、185 ℃條件下熱壓2 h成型，并加工成19 mm×12 mm×12 mm大小的試驗(yàn)試塊。試驗(yàn)按表1共制備4種不同比例復(fù)合材料進(jìn)行對(duì)比。

表1 試樣配比Tab. 1 Sample formula%

1.3 材料性能測(cè)試與分析

1.3.1 硬度測(cè)試

根據(jù)GB/T531.1—2008標(biāo)準(zhǔn)采用XHS–D型邵氏硬度計(jì)對(duì)試驗(yàn)樣品進(jìn)行硬度測(cè)量并對(duì)比。

1.3.2 摩擦磨損性能測(cè)試

在濟(jì)南益華MRH–3型環(huán)–塊摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上對(duì)設(shè)計(jì)的材料進(jìn)行水潤(rùn)滑摩擦磨損試驗(yàn)，采用的對(duì)偶環(huán)材質(zhì)為GCr15，表面粗糙度為0.1 μm左右。試驗(yàn)條件為水潤(rùn)滑、室溫環(huán)境，試驗(yàn)施加的載荷通過(guò)MIl–B–17901標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算得出分別為33、66、132與200 N。試驗(yàn)變速條件同樣對(duì)標(biāo)MIl–B–17901，該標(biāo)準(zhǔn)的軸直徑為17.145 cm（6.75英寸），結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)和實(shí)際工況，將轉(zhuǎn)速設(shè)置為8、17、35、70、105、140、210、348、870和1 394 r/min，對(duì)應(yīng)的線速度為20、44、90、180、270、360、541、896、2 240、3 589 mm/s，每5 min增速一次，試驗(yàn)時(shí)間50 min。最后，增加1組轉(zhuǎn)速2 r/min，對(duì)應(yīng)線速度為5 mm/s作為黏–滑現(xiàn)象對(duì)比條件。試驗(yàn)前使用酒精棉球擦洗試樣與對(duì)偶鋼環(huán)，試驗(yàn)后將試樣放入100 ℃烘箱放置24 h后取出，再使用0.1 mg精度的電子分析天平對(duì)試塊進(jìn)行稱重。摩擦系數(shù)由試驗(yàn)機(jī)自帶軟件進(jìn)行采集，復(fù)合材料的體積磨損率由式（1）計(jì)算[13]：

式中，K為試樣的體積磨損率，?m為試樣在摩擦磨損試驗(yàn)前后的質(zhì)量差，ρ為試樣密度，N為試驗(yàn)加載載荷，L為最終摩擦距離。每組樣品重復(fù)3次試驗(yàn)，摩擦系數(shù)和質(zhì)量差取其平均值。

1.3.3 表面形貌分析

試驗(yàn)樣塊磨損面噴金后采用JSM–6380LV掃描電子顯微鏡（SEM）對(duì)表面形貌進(jìn)行分析表征；采用Microxam–800非接觸式光學(xué)輪廓儀對(duì)比分析其磨損后3維形貌。

2 結(jié)果與討論

2.1 Nano–SiC和PTFE對(duì)復(fù)合材料硬度的影響

圖1為復(fù)合材料的硬度隨Nano–SiC含量的改變而變化的趨勢(shì)。

圖1 Nano–SiC和PTFE對(duì)復(fù)合材料硬度的影響Fig. 1 Effect of Nano–SiC and PTFE on the hardness of the composites

從圖1可知：UHMWPE–橡膠材料A的硬度為59；B為材料加入10%PTFE后，復(fù)合材料硬度略有降低；當(dāng)加入Nano–SiC后，復(fù)合材料的硬度有明顯提升。隨著納米粒子含量增多，復(fù)合材料的硬度呈單調(diào)增大趨勢(shì)，加入的納米粒子均勻嵌入U(xiǎn)HMWPE基體材料中橡膠與PTFE顆?？障堕g，使材料的整體性提高，性能得到優(yōu)化，從而復(fù)合材料的硬度有明顯提高，這與前人結(jié)論一致[14]。

2.2 水潤(rùn)滑條件下Nano–SiC對(duì)復(fù)合材料摩擦磨損性能的影響

2.2.1 不同速度下UHMWPE復(fù)合材料的黏–滑現(xiàn)象

圖2顯示了在不同速度水潤(rùn)滑條件下的D組試塊與GCr15環(huán)之間的摩擦系數(shù)μ波動(dòng)，進(jìn)而表明了黏–滑現(xiàn)象的變化。5.15 mm/s速度下的摩擦系數(shù)如圖2（a）所示，可以看出波動(dòng)比較明顯且幅度穩(wěn)定。圖2（b）為不同材料在37 s內(nèi)摩擦系數(shù)的具體情況。一般來(lái)說(shuō)，隨著轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間的增加，摩擦系數(shù)呈鋸齒狀波動(dòng)，復(fù)合材料表面微凸體與對(duì)偶環(huán)在壓力作用下逐漸冷焊并黏著；在黏著過(guò)程中，由于對(duì)偶環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)，摩擦系數(shù)逐漸增大（圖2（b）中黏著過(guò)程）；當(dāng)摩擦力增大到足夠破壞黏著點(diǎn)時(shí)，復(fù)合材料與對(duì)偶表面微凸體的黏著消失，摩擦系數(shù)急速下降到最低點(diǎn)（圖2（b）中滑動(dòng)過(guò)程）；此時(shí)對(duì)偶環(huán)繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，環(huán)的另一部分與試樣微凸體繼續(xù)接觸并發(fā)生黏著，摩擦系數(shù)再次增大并再次被破壞，往復(fù)如此。這種現(xiàn)象被稱為材料的黏–滑現(xiàn)象。通過(guò)圖2（b）還可以看出，不添加PTFE和Nano–SiC的材料的波動(dòng)幅度最劇烈，黏–滑周期Ta更長(zhǎng)；在加入10%PTFE后，黏–滑周期Tb縮短，波動(dòng)幅度減小，黏–滑現(xiàn)象減弱；在加入Nano–SiC之后，摩擦系數(shù)的幅度和周期Td均減小。此外，試驗(yàn)速度對(duì)黏–滑現(xiàn)象有顯著影響，在最低速（5.15 mm/s）時(shí)，其波動(dòng)幅度最大為0.024，波動(dòng)周期最長(zhǎng)為4 s；隨著速度的增加，摩擦系數(shù)的波動(dòng)幅度和波動(dòng)周期逐漸減小，如圖2（c）～（g）所示，當(dāng)速度逐漸增加到270.36 mm/s時(shí)，波動(dòng)幅度和波動(dòng)周期均單調(diào)遞減。由圖2（b）和（g）可以看出，在相同速度條件下，隨著Nano–SiC含量的增加，試樣的摩擦波動(dòng)逐漸平緩。在速度達(dá)到360 mm/s和541 mm/s（圖2（h）和（i））時(shí)，摩擦系數(shù)波動(dòng)趨于平穩(wěn)，不再出現(xiàn)異常波動(dòng)和噪聲，此時(shí)可以確定黏–滑現(xiàn)象已消失。

圖2 水潤(rùn)滑條件下復(fù)合材料與GCr15環(huán)之間的摩擦黏–滑現(xiàn)象Fig. 2 Stick–slip phenomenon between UHMWPE and GCr15 rings under water lubrication

2.2.2 復(fù)合材料動(dòng)、靜摩擦系數(shù)差值對(duì)黏–滑現(xiàn)象的影響

由于軸承的起動(dòng)過(guò)程中通常會(huì)產(chǎn)生黏–滑現(xiàn)象，而靜摩擦系數(shù)通常大于動(dòng)摩擦系數(shù)。圖3顯示了在水潤(rùn)滑條件下不同載荷時(shí)試塊與GCr15環(huán)之間的靜摩擦系數(shù)。靜摩擦系數(shù)采集時(shí)先用手輕微帶動(dòng)環(huán)–塊摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，在其有輕微轉(zhuǎn)動(dòng)之前記錄摩擦力，再設(shè)置摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 r/min。采集啟動(dòng)時(shí)記錄摩擦系數(shù)，每組試驗(yàn)在相同的條件下各重復(fù)3次，記錄其摩擦系數(shù)取其平均值。

從圖3（a）可以看出，隨著載荷從33 N增大到250 N，不同組分的復(fù)合材料的靜摩擦系數(shù)均逐漸減小，最后趨于穩(wěn)定；并且隨著Nano–SiC含量的增多，對(duì)應(yīng)復(fù)合材料的靜摩擦系數(shù)變化幅度也降低。從圖3（b）可以看出，Nano–SiC改性復(fù)合材料具有較小的摩擦系數(shù)波動(dòng)幅度，靜摩擦系數(shù)與動(dòng)摩擦系數(shù)差值也較小。一般而言，摩擦力變化劇烈波動(dòng)對(duì)摩擦噪聲的產(chǎn)生起著非常重要的作用，摩擦力差值越大，摩擦噪聲就越大。因此，Nano–SiC改性復(fù)合材料D相比UHMWPE–橡膠材料A來(lái)說(shuō)，黏–滑現(xiàn)象減輕。由圖2和3數(shù)據(jù)可以看出，隨著速度、Nano–SiC含量的增加，黏–滑現(xiàn)象逐漸減弱，摩擦波動(dòng)歸于平穩(wěn)。

圖3 4組UHMWPE復(fù)合材料不同載荷下的摩擦系數(shù)Fig. 3 Friction coefficient of four groups of polymers under different loads

2.2.3 不同載荷對(duì)UHMWPE復(fù)合材料摩擦系數(shù)的影響

圖4顯示了4種UHMWPE復(fù)合材料A、B、C和D在水潤(rùn)滑條件下，分別在33、66、132和200 N的載荷下摩擦系數(shù)變化規(guī)律。

圖4 不同載荷下UHMWPE復(fù)合材料摩擦系數(shù)Fig. 4 Friction coefficient of UHMWPE composites under different loads

從圖4可見：4種復(fù)合材料的摩擦系數(shù)均隨速度的增加先升后降直至逐漸穩(wěn)定，但不同載荷對(duì)應(yīng)的摩擦系數(shù)變化區(qū)間明顯不同；隨著載荷逐漸增大，4種復(fù)合材料的摩擦系數(shù)均有不同程度的降低。在4種載荷下，UHMWPE–橡膠材料（復(fù)合材料A）的摩擦系數(shù)曲線均最高，在加入PTFE后，復(fù)合材料B的摩擦系數(shù)有一定程度降低，再加入0.5%Nano–SiC后，復(fù)合材料C的摩擦系數(shù)繼續(xù)降低，而當(dāng)Nano–SiC含量增加到5%時(shí)，復(fù)合材料D的摩擦系數(shù)達(dá)到最低。摩擦系數(shù)的變化與材料表面撕裂脫落情況都會(huì)隨著載荷的增大表現(xiàn)出相同的變化趨勢(shì)，即水潤(rùn)滑軸承材料在一定范圍內(nèi)，隨著載荷的增加，耐磨損性能逐漸增強(qiáng)[20]。此外，在水潤(rùn)滑條件下UHMWPE復(fù)合材料開始處于邊界潤(rùn)滑階段并伴隨黏–滑現(xiàn)象，摩擦系數(shù)逐漸增大。隨著速度的提升，黏–滑現(xiàn)象減弱，邊界潤(rùn)滑逐漸變?yōu)榛旌蠞?rùn)滑，試樣表面出現(xiàn)磨損凹坑，更多的水進(jìn)入磨損表面，最終形成流體潤(rùn)滑，摩擦系數(shù)隨之降低并逐漸趨于穩(wěn)定。這可能是因?yàn)閺?fù)合材料加入納米材料后，Nano–SiC在水介質(zhì)中產(chǎn)生摩擦化學(xué)反應(yīng)生成SiO2[19,21]，生成的SiO2凝膠在摩擦過(guò)程中受力剪切變形，在摩擦表面生成較為致密的薄膜，從而降低了摩擦系數(shù)。

2.2.4 不同載荷對(duì)UHMWPE復(fù)合材料磨損率的影響

圖5給出了4種UHMWPE復(fù)合材料在33、66、132、200 N載荷下的體積磨損率變化規(guī)律，體積磨損率按照式（1）計(jì)算得出。

圖5 不同載荷下UHMWPE復(fù)合材料磨損率Fig. 5 Wear rate of UHMWPE composites under different loads

由圖5可知：隨著載荷的增大，4種復(fù)合材料的體積磨損率均出現(xiàn)不同程度的減小。這是因?yàn)樵谀Σ列袨閯傞_始時(shí)，隨著載荷的增加，復(fù)合材料表面的黏著–滑動(dòng)過(guò)程更為劇烈，產(chǎn)生的摩擦熱增加，使表面溫度升高，初期的高溫高載條件使得復(fù)合材料表面的磨損表面軟化，其抗剪切性和抗蠕變性下降，耐磨性被削弱，導(dǎo)致材料的磨損量少許增加[14,22–23]，但是，根據(jù)式（1）計(jì)算可知增加的磨損量遠(yuǎn)低于載荷增大的程度，從而得出體積磨損率隨著載荷的增大而減小。隨著Nano–SiC含量增加，復(fù)合材料的磨損率呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，其中D組試樣的磨損率最低，明顯看出加入Nano–SiC明顯提高了復(fù)合材料的耐磨性，能夠承受更高的載荷。最主要的原因是硬質(zhì)納米顆粒在復(fù)合材料中起到一定的支撐作用，提高了復(fù)合材料的抗剪切和抗蠕變能力[15]；第二個(gè)原因可能是Nano–SiC在水環(huán)境下與水發(fā)生反應(yīng)形成SiO2，而SiO2凝膠可有效縮短復(fù)合材料的磨合期，增強(qiáng)了材料顆粒的物理黏附能力，顯著提高了復(fù)合材料的耐磨性[19]。

2.3 摩擦表面形貌分析

圖6顯示了4種復(fù)合材料在摩擦磨損試驗(yàn)后的表面形貌。在固定載荷66 N水潤(rùn)滑條件下，復(fù)合材料A的表面存在顯著磨損現(xiàn)象，如圖6（a）所示，復(fù)合材料A的表面存在一些球形凹坑或凸起，這是由于UHMWPE材料耐熱性差，與丁腈橡膠VP501結(jié)合程度低，磨損表面在摩擦溫升下變得軟化[19]，此時(shí)基體材料與填料之間的穩(wěn)固性會(huì)下降，從而導(dǎo)致摩擦過(guò)程中VP501橡膠脫落形成大小起伏的球形凹坑或凸起，在水環(huán)境下磨損時(shí)產(chǎn)生的磨屑被對(duì)偶環(huán)上的水帶走[24–25]。

圖6 不同UHMWPE復(fù)合材料的SEM表面形貌分析Fig. 6 SEM surface morphology analysis of different UHMWPE composites

較之于圖6（a），由于加入PTFE后復(fù)合材料耐高溫性增加，VP501橡膠不再出現(xiàn)脫落情況。在其磨損面上顯示大片狀磨屑被撕扯現(xiàn)象，這是由于材料表面雖然經(jīng)過(guò)數(shù)道工序打磨，表面觀察已變光滑，但在微觀上仍然是凹凸不平的；當(dāng)材料表面與對(duì)偶環(huán)接觸時(shí)，只有兩個(gè)表面的凸起部分實(shí)際接觸，兩接觸面的接觸部分在壓力下逐漸產(chǎn)生黏著。隨著對(duì)偶環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)，黏著點(diǎn)被外力剪斷，此時(shí)材料表面的下一凸起部分與對(duì)偶環(huán)繼續(xù)發(fā)生黏著并剪斷，往復(fù)黏著–斷裂–黏著的過(guò)程使得復(fù)合材料一直處于黏著磨損狀態(tài)，這種狀態(tài)下的磨損表面易產(chǎn)生大片磨屑的撕裂，并被由對(duì)偶環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)帶來(lái)的水沖掉，在材料表面留下磨屑痕跡，見圖6（b），大片磨屑在黏著磨損狀態(tài)下被撕裂，即將脫落的場(chǎng)景。

隨著Nano–SiC的加入，復(fù)合材料的硬度、抗磨損性能、承載能力、抗蠕變性能和抗剪切性能提升，黏著作用減弱，降低了磨屑的剝落。如圖6（c）所示，加入0.5%Nano–SiC后材料表面的磨屑痕跡變少而且更小，磨損表面逐漸變得平整。隨著Nano–SiC含量的增加，如圖6（d）所示，更多的納米粒子與粗糙表面微觀粗糙峰作用更有利于形成機(jī)械互鎖，進(jìn)而降低材料的磨損率[20]。磨損表面變得更加平整均勻，僅在部分表面出現(xiàn)小型凹坑。再與復(fù)合材料A表面形貌進(jìn)行對(duì)比，可見摩擦表面更光滑，此結(jié)論與圖4、5所示的摩擦系數(shù)與磨損率對(duì)比結(jié)論相吻合。并且由于納米粒子填充后，在宏觀層面由物理測(cè)試得知其硬度增強(qiáng)，使得材料結(jié)構(gòu)更加致密；再通過(guò)微觀表征可以發(fā)現(xiàn)納米粒子填充在一定程度上增強(qiáng)了材料分子間作用力，優(yōu)化了摩擦過(guò)程，因此達(dá)到減輕黏–滑現(xiàn)象的作用，與前文黏–滑現(xiàn)象試驗(yàn)結(jié)論相呼應(yīng)。

圖7為4種復(fù)合材料在Microxam–800非接觸式光學(xué)輪廓儀下的3維形貌。

圖7 不同UHMWPE復(fù)合材料的3維表面Fig. 7 Three-dimensional surface of different UHMWPE composites

由圖7可以看出：復(fù)合材料A的3維表面雜亂不平，與圖6結(jié)果一致。隨著PTFE的加入，磨痕形狀出現(xiàn)好轉(zhuǎn)。隨著Nano–SiC含量的增加，磨損深度與磨痕寬度都出現(xiàn)不同程度的減小，與試驗(yàn)結(jié)論一致。

3 結(jié) 論

1）復(fù)合材料的硬度隨著Nano–SiC含量的增加而提升，其承載能力隨之增強(qiáng)，對(duì)應(yīng)摩擦副的犁削現(xiàn)象減小，從而摩擦系數(shù)降低，耐磨性提高。

2）速度對(duì)UHMWPE材料的黏–滑現(xiàn)象影響很大，復(fù)合材料的黏–滑現(xiàn)象隨著速度的增加而減輕直至逐漸消失。填充5%Nano–SiC粒子的復(fù)合材料在高速運(yùn)行的對(duì)偶面上摩擦學(xué)性能最佳，在相同工況下其摩擦系數(shù)波動(dòng)幅度和周期均大幅度降低，動(dòng)、靜摩擦系數(shù)的差值減小，軸承摩擦波動(dòng)降低，黏–滑現(xiàn)象減弱。

3）工況載荷對(duì)復(fù)合材料的影響較大。改性復(fù)合材料的摩擦系數(shù)與磨損率隨著載荷的增大而減小，當(dāng)工況載荷從33 N增加至200 N，改性復(fù)合材料磨損率從1.25×10–6mm3/(N·m)降至0.4×10–6mm3/(N·m)。隨著Nano–SiC含量的增加，試樣磨損表面的橡膠顆粒脫落情況有效改善，大片磨屑撕扯脫落情況減少，犁溝變得細(xì)而淺，黏著磨損減弱，磨損率和摩擦系數(shù)顯著降低。