水润滑轴承用聚合物复合材料的摩擦学研究进展

田 颖，车清论，贺 仁，张 嘎，郑少梅

(1.青岛理工大学机械与汽车工程学院，山东 青岛 266033；2.中国科学院兰州化学物理研究所固体润滑国家重点实验室，甘肃 兰州 730000)

0 前 言

随着“绿色发展”理念的推广，水体环境污染问题得到社会的广泛关注。在高技术船舶、海洋作业和水电装备等领域，传统油润滑轴承存在的油泄露问题对水体环境造成极大污染，对水生生物以及人类的生存环境造成了极大的威胁[1，2]。水润滑轴承直接以水作为润滑介质，可以有效避免润滑油泄露造成水体污染问题，具有环境友好特性。水润滑轴承的推广和使用不仅节省了大量润滑油，同时还简化了传统轴系结构的设计，免去了复杂的密封结构设计工作，轴承的后期维护和保养也更加便捷[3]。与此同时，水的比热较大，在摩擦过程中可以有效带走摩擦副的表面热量，对摩擦生热的冷却效果显著。

聚合物复合材料由于具有优异的自润滑特性、高化学稳定性和减振降噪等特点，在水润滑轴承设计制备方面具有显著的优势，已广泛应用于水利、水电、船舶、海洋作业等高端装备中。然而，水并非理想的润滑介质，水润滑轴承用聚合物复合材料也面临诸多挑战[4，5]。水的黏度远低于润滑油的黏度，水膜承载能力较弱，在启动、停止、低速和重载等工况下，摩擦副经常在混合润滑或边界润滑状态下服役，这加剧了轴和轴承的磨损，严重时甚至可导致轴承失效。轴承内衬的过度磨损会导致轴系结构的间隙超过最大配合间隙，引起轴系传动效率急剧下降的问题，还会引发摩擦振动和噪声，部件严重磨损的同时造成大量的能量损耗。因此，提高水润滑轴承用聚合物材料的摩擦学性能尤为重要。

目前，聚合物水润滑轴承已成为各国企业和相关研究者们关注的一大热点。自20 世纪40 年代末前苏联对水润滑流体动压和静压轴承特性展开了深入研究后，英国、德国、美国等国家也逐渐对水润滑轴承的研究开展了大量工作。加拿大Thordon 轴承基于其优异的耐磨性以及自润滑特性，可稳定应用于船用艉轴承、螺旋桨轴、立式水泵和涡轮机等。德国Vickers 和Michell 公司研发了可用于深井泵和潜水泵中的水润滑橡胶轴承。英国Tenmat Group 研发的无机纤维填充酚醛树脂材料Feroform 轴承在船用舵轴承和艉轴承领域得到了广泛的应用。长春安旨科技设计开发了适用于含泥沙工况的水润滑轴承，耐形变能力强，可用于挖泥沙的铰刀轴承。德国IGUS 公司还专门开发可在高温水下运行的轴承。其他诸如瑞典的特瑞堡公司、日本东芝公司以及国内的广州研理复合材料科技有限公司和郑州星航耐磨材料科技有限公司等研发的水润滑轴承均在船舶和水泵等领域得到应用。随着我国高端装备技术的发展，加快高性能聚合物水润滑轴承的自主研发具有重要的社会和经济意义。国内武汉理工大学、宁波大学、重庆大学以及中国舰船研究院、兰州化学物理研究所、长春应用化学研究所等机构就水润滑轴承的材料设计及润滑理论等方面开展了大量研究。

本文综述了水润滑轴承常用聚合物材料的特性以及材料改性方法，阐述了聚合物材料在水润滑状态下的摩擦磨损机理，进一步探讨了功能性填料、材料内部结构和摩擦界面微观机制与材料宏观摩擦学性能的内在关联，可为研究和制备高性能水润滑聚合物复合材料轴承提供一定的参考。

1 水润滑轴承用聚合物复合材料

水润滑轴承作为系统的关键部件，其稳定性和可靠性至关重要。然而，材料性能是决定轴承工作特性和使用寿命的一个重要因素。由于工作介质发生改变，其材料选择与传统轴承相比存在较大差异。常用的轴承材料包括木质基、金属基、陶瓷基以及聚合物基材料等，分类如图1 所示。最初应用于水润滑轴承的材料以铁梨木为主，由于铁梨木较为稀少，而后采用桦木板压实的材料替代，但是天然木材的资源都是比较有限的，无法进行大规模、批量的生产和应用，因此被迫利用化工合成材料进行替代，如橡胶复合材料、聚氨酯弹性体材料和其他工程塑料(超高分子量聚乙烯等)。

图1 水润滑轴承材料分类Fig.1 Classification of water lubricated bearing materials

1.1 橡胶复合材料

20 世纪40 年代，橡胶轴承开始逐渐被应用到水泵和轴承等领域，与金属轴承相比，橡胶材料具有更好的耐磨性、高弹特性和阻尼减振特性[6，7]。橡胶材料可以有效地防止冲击，降低噪音。基于其特有的高弹性，可以有效减少因安装误差产生的附加载荷，通过弹性变形进行自动调整。在水润滑状态下，其摩擦系数大大降低，具有耐疲劳和吸收振动以及化学稳定性高等优点，常被用于船舶轴流泵、深井泵及立式水泵等领域。

然而，橡胶材料具有一些明显的缺陷，如轴承径向承载能力小、玻璃化转变区内有效阻尼温域较窄、导热能力较差以及加工操作精度低等，在复杂工况下的摩擦磨损较大，不利于轴承长时间在剧烈恶劣环境中使用。同时，砂-水条件下的过度磨损也是造成橡胶轴承失效的重要原因之一。研究表明，丁腈橡胶(NBR)轴承在砂-水条件下合适的运行载荷为0.1 ～0.5 MPa、滑动速度为0.33 ～1.10 m/s，适当施加载荷对减弱“砂效应”有一定的帮助[6，8]。与其他聚合物材料不同的是，在海水介质中橡胶轴承表面易被腐蚀，但形成的表面微纹理织构，可以进一步减小摩擦磨损，这可归因于表面织构减少了实际的固-固接触面积，且在纹理沟槽内可以储存更多的润滑水。综上，橡胶材料基于其成本低、易成型、无污染等特点仍然是水润滑轴承适用材料之一。

1.2 聚氨酯弹性体材料

聚氨酯弹性体(PU)是一种嵌段共聚物，具有很强的结构和功能可设计性。其独特性在于可通过对分子链中软段和硬段的种类选择、比例调节以及微相分离程度调控等方法在很大程度范围内调节母材的性能，如硬度、耐水性、耐热性等。PU 具有优异的耐磨性、高弹特性和抗磨粒磨损性能，与其他塑料轴承材料相比，PU 更适用于砂-水条件下，摩擦过程中PU 的弹性形变可以包容杂质，减小对轴的过度磨损[9]。

然而PU 作为水润滑轴承基体材料的局限性也已被发现，如低模量(低承载能力)、黏滑现象严重、耐热性差、重载和低速下滑动时可能会发生运动系统咬合等[5，10]；并且由于PU 中极性基团的存在，使其具有一定的吸水性[11]。PU 常用于制备船舶艉轴承、舵轴承及水泵轴承。在保证其承载能力的前提下，选用弹性模量较低的PU 材料有利于提高最小水膜厚度，改善水润滑轴承的摩擦磨损特性。

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)因其优异的摩擦响应和力学性能被用作水润滑轴承材料，常用于船艉轴承、齿轮轴承等设备。UHMWPE 的吸水率很低，在纯水和海水中浸泡24 h 后硬度不会发生变化，暴露在水中8 周后吸水达到平衡状态，且吸水率低于0.2%[12]。然而，UHMWPE 的耐热老化性能较差，高温和疲劳老化条件下会发生分子链断裂、分子结构变化及复杂的化学氧化反应等问题，伴随出现硬度降低、黏滑加剧、软化效应增强等现象，最终削弱材料的耐磨性。通常加入适当的抗氧化剂(如维生素E)可以降低UHMWPE的热氧化，延长其使用寿命[13]。UHMWPE的本体硬度较低，通过γ 射线和电子束辐射等方式可提高其交联程度和硬度，进一步提高耐磨性，但材料硬度的提升不应伴随塑性的大幅下降，否则将会使材料快速失效[14]。

1.3.2 聚苯硫醚

聚苯硫醚(PPS)具有优良的耐热性、耐腐蚀性、高尺寸稳定性和低吸水率，归因于其分子中交替排布的苯环与硫原子使得链结构具有较高的规整性，非常适用于水环境下工况；并且，PPS 还具有良好的粘结性，可以提高填料与基体之间的界面结合强度。研究表明[15，16]PPS 具有优异耐磨性能的润滑机制主要是摩擦过程中PPS 基体的部分分解和摩擦化学反应化合物的形成，促进其在润滑条件下在对偶上形成聚合物转移膜，从而降低材料的磨损率。但是，未改性的PPS 材料脆性大、韧性较差、耐冲击强度较低。

1.3.3 聚酰胺

聚酰胺(PA)具有较高的拉伸强度和冲击强度、优异的耐磨性和自润滑特性，其性能优异归因于分子链中氢键的作用[17]。PA 材料多用于较高承载的摩擦和磨损工程零件，如滑动轴承和齿轮等。然而，PA 中酰胺基团的存在使其具有较高的吸水率，且材料尺寸稳定性较差，吸水后的材料内部氢键数目减少、表面塑化导致其表面力学性能和耐磨性能变差，这是限制PA 材料在水环境下应用的重要原因。对于在水中长期运行、尺寸稳定性要求较高且具有精密配合间隙的部件应尽量避免采用PA 材料。

1.3.4 聚四氟乙烯

聚四氟乙烯(PTFE)因其高熔化温度、极低的吸水率以及化学稳定性好在摩擦学领域得到了广泛应用[18，19]。相比于其他聚合物，PTFE 具有薄结晶层和无定形部分交替排列的带状结构，其中无定形部分易于滑动，赋予其自润滑特性。摩擦过程中，PTFE 分子链断裂形成的活性基团与对偶金属表面发生螯合反应，可以提高转移膜的稳定性。遗憾的是，未改性的PTFE 力学性能和耐磨性较差，限制了其在摩擦领域的应用，并且PTFE 本身具有疏水特性，致使其对偶配副表面的转移膜在水环境中不易形成，降低了其自润滑特性。

1.3.5 聚醚醚酮

聚醚醚酮(PEEK)具有优异的力学性能、高的化学稳定性、良好的耐磨性以及极低的吸水率等。PEEK 分子链上带有大量亲水性羰基，因此可通过氢键与水分子结合[20]，使滑动表面之间易于形成润滑水膜。另一方面，水介质可以带走大量摩擦热，降低PEEK 与对偶之间的界面温度，与干摩擦条件相比，PEEK 在水润滑条件下表现出更低的摩擦系数和磨损率。其使用的温度范围通常在-100～250 ℃之间，常用于高温、高压水泵领域。

2 水润滑轴承润滑及摩擦磨损机理

2.1 润滑区间

根据Stribeck 曲线可将水润滑轴承的润滑状态划分为3 个区间:边界润滑、混合润滑和流体润滑，如图2所示。在轴承运行期间，润滑状态之间的转换主要取决于润滑剂特性、速度和负载。轴与轴承之间的水膜会随着转动速度的不断增加，由层流状态逐渐转变为湍流状态，Feng 等[21]研究表明湍流状态下的水膜具有更高的承载能力。在实际应用过程中，聚合物轴承是常处于混合润滑状态的，局部接触与流体润滑状态并存。当轴承负载压力过高时，局部润滑水膜承载不足出现破裂，使得轴承面临干摩擦状态。特别是，在启停和低速、重载状态下水膜压强低，摩擦副处于边界和混合润滑区间，固-固接触承担显著或绝大部分载荷，从而加剧配副磨损以致失效。因此为延长轴承寿命，可通过调整聚合物材料分子结构，实现组元优化和协同效应，促进摩擦界面生长高性能固体转移膜，避免摩擦副直接接触，以弥补不良水膜边界润滑[22-25]。

图2 水润滑Stribeck 曲线及润滑状态示意Fig.2 Schematic of Stribeck curve and lubrication regimes

目前，船舶推进系统中的艉轴承、船用离心泵轴承及水泵等常采用聚合物复合材料，其固有特性对轴承润滑状态也存在一定影响。在轴承运行过程中复合材料轴承与水膜压力之间存在双向流固耦合作用，水膜压力可引起不可忽略的轴承弹性变形，而轴承的弹性形变又会进一步影响水膜厚度。相比于金属轴承，聚合物复合材料轴承受水压作用可发生弹性形变更容易形成具有高膜厚比、高承载能力的弹流润滑水膜[26]。高弹性模量聚合物轴承产生的弹性形变相对较小，进入弹流润滑状态较缓，水膜的形成滞后。聚合物材料表面带有亲水性基团可加快水膜在轴承表面的铺展，有利于润滑水膜的形成，而具有疏水特性的聚合物材料则相反。因此，选用具有自润滑特性的聚合物材料，可避免轴承在干摩擦和边界润滑状态下的过度磨损，保证轴承的持续运行。

2.2 聚合物复合材料水润滑轴承磨损机理

聚合物复合材料水润滑轴承常见的磨损形式为:磨粒磨损、疲劳磨损、黏着磨损以及腐蚀磨损等[27]，各种磨损形式的机理也不相同，通常以一种或几种磨损机制为主导，伴随其他多种磨损机制共存。聚合物在与硬质金属表面发生相对滑动的过程中，摩擦表面之间的相互作用形式主要由形变和黏附两部分组成，如图3 所示。较高的接触应力作用下聚合物材料表面发生变形，滑动过程中循环往复的作用力使表面发生周期性的疲劳破坏，局部表面在相互作用力下发生小块状疲劳脱落，并在之后的摩擦过程中造成磨粒磨损。除此之外，水介质中的泥沙颗粒等杂质也是造成磨粒磨损的重要因素。由于表面电荷或表面极性基团的作用，聚合物轴承表面与金属轴界面存在范德华力，摩擦配副间存在黏附力[28]。摩擦界面存在粘滑现象并产生黏着磨损。当摩擦表面为弹性体时，摩擦副间较大的实际接触面积使得粘滑现象尤为显著。粘滑运动会诱发配副持续性振荡，产生摩擦震动和噪声，对水润滑轴承的平稳性产生不利影响。

图3 黏着磨损过程示意Fig.3 Schematic diagram of adhesive wear process

海水环境中伴随着腐蚀与磨损的交互促进[25]，金属对偶表面的钝化层在摩擦过程中易被破坏，而暴露出的新鲜金属更易于腐蚀，从而导致腐蚀与磨损的交互促进。研究者通过向金属中添加合金元素和组元优化增强钝化层的稳定性，或在金属表面电镀涂层减缓腐蚀的方法来延长金属对偶的服役寿命[29，30]。随着研究的不断深入，在摩擦界面构筑高性能转移膜被发现是一种提高摩擦学性能的有效方法[22，25]，高性能转移膜可避免摩擦副的直接接触、增强金属表面的钝化效应，显著抑制腐蚀与磨损的交互促进。海水润滑状态下，介质中的Ca2+和Mg2+会与摩擦副表面发生摩擦化学反应并生成CaCO3和Mg(OH)2沉积浆状物，得到更好的边界润滑作用[19]。然而，转移膜的结构和生长机理十分复杂，包含复杂的摩擦物理、摩擦化学和腐蚀产物，对其微观作用机制与宏观摩擦学特性内在联系的深入研究可为高性能水润滑轴承材料结构设计提供理论指导，进一步促进摩擦学理论的发展。

3 常用改性方法对聚合物材料摩擦学性能的影响

功能性填料的引入可激活基体的能量耗散机制(如基体剪切、裂纹的前缘钉扎和颗粒拔出等)并改变聚合物材料的磨损机制。此外，功能性填料可影响摩擦界面转移膜的生长，优化的功能性填料及耦合物可有效提高复合材料水润滑条件下的摩擦学性能。常用的功能性填料包括微/纳尺度的增强材料和固体润滑剂(石墨、PTFE、二硫化钼等)等。图4 给出了常用的微/纳尺度增强填料及其增强机制。

图4 聚合物增强填料的分类、增强效果的影响因素和增强机理[31]Fig.4 Classification of reinforcing fillers，influencing factors of reinforcement effect，and strengthening mechanisms[31]

聚合物分子结构的设计也可提高材料在水润滑工况下的摩擦学性能，如互穿网络结构等。此外，耦合多功能填料、结合其功能优异性、多角度改善复合材料摩擦磨损性能，可更有效地提高复合材料的摩擦学性能。

3.1 功能性填料引入对摩擦学性能的影响

3.1.1 增强纤维类填料

增强纤维显著提高聚合物基体材料的强度、抗蠕变性能与承载能力等，与基体材料相比复合材料在水润滑条件下表现出更高的摩擦学性能。研究表明，碳纤维和玻璃纤维等显著提高UHMWPE、PU、PTFE、PEEK 等基体材料的力学性能，从而大大改善了材料在水润滑条件下的摩擦学性能。Liang 等[32]研究了聚丙烯腈(PAN)纤维对PU 基复合材料摩擦学性能的影响，发现刚性PAN 纤维可有效降低PU 表面的应力集中，提高PU 复合材料的硬度和耐磨性。Wang 等[33]研究发现玻璃纤维(GF)和碳纤维(CF)2 种填料均可降低UHMWPE复合材料的摩擦系数。聚合物基体中引入的增强纤维在摩擦过程中承担了大部分载荷，减少了基体和对偶金属表面之间的真实接触面积，从而降低了摩擦与磨损。

纤维填料与基体之间的界面结合对复合材料的摩擦学性能有很大影响。Zhao 等[34]研究发现钛酸钾晶须(PTW)表面接枝活性基团可提高PTW 与PU 基体之间的界面结合力，显著提高复合材料的拉伸强度和耐磨性。Wang 等[35]对比研究了玄武岩纤维(BF)和CF 增强PTFE 复合材料的摩擦学性能，结果表明CF 增强PTFE 复合材料的摩擦系数更低、磨损也更小。这是因为与BF 相比，CF 与PTFE 基体材料的界面附着力更高。若纤维与基体界面之间的结合力差会加快复合材料的吸水速率(如图5 所示，图中“Ⅰ”表示PTFE 基体中被水穿过的复合材料外表面，即材料表面液体渗透的区域；区域“Ⅱ”表示纤维周围的界面自由空间，即水通过纤维表面传输到复合材料内部的微通道；区域“Ⅲ”表示存储在区域“Ⅱ”中的水通过纤维/基质界面渗透的区域)，导致材料的吸水塑化，并进一步降低纤维与基体的界面粘结性[36]，使复合材料往往表现出较高的摩擦系数和磨损率。因此，纤维填料与树脂基体间的界面结合直接影响着聚合物复合材料在水润滑条件下的抗塑化能力和耐磨性能，良好的界面结合有利于提高水润滑轴承材料的摩擦学性能。

图5 BF/PTFE 复合材料和CF/PTFE复合材料吸水机理示意[35]Fig.5 Schematic diagrams of water absorption mechanisms of BF/PTFE composite and CF/PTFE composite[35]

纤维取向对复合材料的摩擦性能也有很大影响。Zhang 等[37]采用具有3 种取向(切向、径向和轴向)的CF 增强PEEK，摩擦力作用下轴向纤维的复合材料没有发生纤维脱粘和严重的基体剪切破坏现象，获得了最佳的摩擦学性能。He 等[38]通过热压制备了不同取向聚酯纤维(PETF)改性UHMWPE 复合材料，并研究了具有不同纤维取向的复合材料的磨损机理，结果表明:随机取向纤维复合材料的摩擦界面暴露的短纤维容易被破坏或拔出，导致基体的严重磨损；当PETF 纤维沿摩擦方向(轴向)规则排列在UHMWPE 基体中时，可以有效地支撑摩擦界面，暴露的纤维承载大部分应力且不易磨损，对基体的损伤很小。因此，轴向纤维增强的聚合物复合材料通常具有最佳的摩擦性能，这主要是因为轴向纤维可承担更多的剪切应力，有效减少摩擦过程中对基体的剪切作用。

3.1.2 固体润滑剂

固体润滑剂可有效降低聚合物复合材料的摩擦系数。PTFE、石墨、二硫化钼(MoS2)、滑石粉和石墨烯等具有独特层状结构的固体润滑剂，在摩擦过程中分子的弱层间相互作用力使其具有易剪切特性，容易发生滑移，从而降低摩擦系数，表现出优异的自润滑特性。Qin 等[39]在填充UHMWPE 的丁腈橡胶(NBR)中引入石墨来提高轴承材料自润滑能力，测试发现在低于0.18 m/s 条件下，复合材料的摩擦系数仅为美国军事规范中限制值的一半，有效改善了橡胶轴承在低速下的摩擦学性能，该复合材料的力学性能也符合船舶标准的要求。Li 等[40]探究了不同含量氧化石墨烯(GO)对NBR 纳米复合材料在干摩擦和水润滑条件下的摩擦学性能的影响，研究发现GO/NBR 复合材料的摩擦系数和磨损率均随GO 含量的增加而降低。其中GO 具有亲水基团，复合材料表面可与水分子形成强氢键，使摩擦界面形成稳定连续的水膜，进一步降低了摩擦磨损。

润滑脂[41]和聚乙烯蜡(PEW)[42]等固体润滑剂可通过摩擦生热后熔融或软化进入摩擦界面，形成具有低剪切强度的润滑层，从而有效降低摩擦系数。

3.1.3 纳米填料

目前，Al2O3、TiO2、ZnO 和CuO 等纳米填料已广泛应用于PPS、PEEK、环氧树脂(EP)、PU 和PTFE 等基体，可提高聚合物基体的硬度和韧性，同时还可以防止摩擦过程基体的裂纹扩展，有效改善耐磨性能。在大多数情况下，微量的纳米填料就可以达到最佳的减摩作用，并且可以在保持甚至改善聚合物基体其他力学性能的同时提高耐磨性能。Díez-Pascual 等[43]发现纳米TiO2增强PEEK/PEI 共混物可提高聚合物基体的力学性能和结晶度，同时降低了吸水率。在TiO2含量为4.0%时复合材料具有最佳的摩擦学性能，相比于纯共混物，复合材料的摩擦系数降低了34%。

部分纳米颗粒通过促进摩擦界面形成高性能转移膜，减小摩擦配副的真实接触面积，从而降低摩擦磨损。如Xu 等[22]对比研究了SiC、h-BN 和Si3N43 种纳米粒子增强PPS 在水润滑条件下的摩擦学行为，结果表明，3 种纳米粒子在摩擦过程中均会发生摩擦化学水解反应，生成的水解产物可显著提高转移膜的承载能力，有效提高了复合材料的摩擦学性能，同时显著抑制了金属对偶的腐蚀。其中，SiC 和Si3N4的水解产物(SiO2凝胶)比h-BN 的水解产物(B2O3和H3BO3)更有效地提高转移膜的承载能力。因此，通过在摩擦界面原位构筑承载能力高和具有易剪切特性的转移膜，是提高水润滑轴承材料摩擦学性能的有效策略。

然而，纳米填料在基体中易于发生聚集，使得填料的增强作用被弱化或者抵消，甚至会导致材料性能退化。目前常用于改善基体中填料分散性的方法有:改变加工工艺，如超声辅助熔融混合或球磨法；填料表面改性处理，如石墨烯纳米片表面硅烷化处理[44]、多壁碳纳米管的氟化处理[45]等，实现填料与基体之间的强烈相互作用，改善纳米颗粒分散。Liu 等[46]将纳米SiO2表面进行羟基改性处理，制备了改性纳米SiO2增强NBR 复合材料。改性前后的纳米SiO2颗粒与基体之间的界面相互作用如图6 所示，未改性的SiO2颗粒在基体内存在内摩擦并发生解离，形成裂纹。而羟基改性的SiO2与基体间的化学键合使其不易于从基体中分离、剥落，同时也起到了限制NBR 中分子链运动的作用，降低摩擦副的温度峰值，减少摩擦热引起的塑性形变磨损，显著增强了复合材料的耐磨性。

图6 纳米SiO2颗粒、表面羟基改性纳米SiO2颗粒与复合材料摩擦过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 多元耦合协同作用

通常，加入PTFE 或石墨等固体润滑剂可降低摩擦界面剪切强度或形成减少摩擦的转移膜；连续或短的CF、GF 或芳纶纤维等可增加聚合物基体的刚度和强度；纳米颗粒引入同时提高基体材料的硬度和韧性，阻碍基体裂纹扩展，释放到摩擦界面的粒子还可以分离摩擦表面的直接接触。功能各异的填料可从强度、刚度等多角度改善聚合物材料，激发多元填料在聚合物基体中的耦合协同作用，促进摩擦界面转移膜的形成，被证明是一种有效实现聚合物复合材料高耐磨性的方法[38]。

对聚合物复合材料在干摩擦状态下的转移膜形成已经开展了大量研究，结果表明在摩擦副表面形成具有高承载能力、高自润滑特性和高稳定的转移膜是复合材料表现出优异摩擦磨损性能的关键因素[47]。然而，对于水润滑而言，尤其当淡水作为自然润滑介质时，摩擦界面转移膜的生成会受到抑制。一方面摩擦界面上存在水分子会阻碍聚合物材料转移到对偶金属表面[48]；另一方面，作为润滑介质的水降低了界面温度，抑制了某些摩擦物理和化学反应的发生，这对于形成高性能的转移膜至关重要。因此，在水介质中缺乏高性能转移膜也是造成聚合物复合材料表现出更高磨损的重要原因。

深入研究边界和润滑状态下自润滑材料的摩擦磨损机制，通过界面材料转移和摩擦化学反应调控，改变摩擦化学的驱动条件，构筑高性能转移膜是提高材料摩擦学性能的重要途径。Xu 等[25]研究发现，将h-BN纳米颗粒引入到短碳纤维(SCF)增强的PEEK 中可促进摩擦界面转移膜的形成，图7 给出了转移膜横截面高分辨率透射电镜(TEM)和EDX 线扫描分析结果，证实了摩擦界面转移膜的形成。h-BN 纳米颗粒在摩擦过程中可发生水解反应，生成H3BO3和B2O3，通过TEM表征分析发现了二者的晶格条纹(图7d 和7e)。研究认为摩擦化学产物参与转移膜构筑并显著提高转移膜的承载能力，同时提高了聚合物-金属摩擦副的摩擦学和耐腐蚀性能。Gao 等[23]发现铜纳米线的加入也可促进SCF 增强PEEK 复合材料转移膜的形成。由于SCF的高硬度使其末端产生更多的摩擦热，在一定程度上可以弥补水吸收的热量。通过X 射线光电子能谱检测分析，认为添加的铜纳米线在摩擦过程中发生化学反应，其摩擦产物CuO 和Cu(OH)2在摩擦界面参与形成高性能转移膜，有效减少了摩擦界面的接触，降低了摩擦系数和磨损。同时，他们还探究了针铁矿(α-FeOOH)纳米颗粒填充PEEK 复合材料在水润滑状态下的摩擦学性能，发现摩擦过程中α-FeOOH 纳米粒子作为脱水反应的前驱体，促进了杂化结构转移膜的形成，提高了复合材料在水润滑中的摩擦学性能[24]。

图7 在海水中以100 N 的载荷与PEEK/SCF/h-BN 滑动后钢表面形成的转移膜横截面TEM 图和EDX 线扫描[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润滑特性的高性能转移膜可避免摩擦副的直接接触，有效提高材料的摩擦磨损性能。水润滑条件下生成的转移膜通常极薄，对其结构和性能的定量分析通常需要借助先进的纳米尺度表征技术。目前，人们对水润滑状态下转移膜的形成和影响材料宏观摩擦学行为的一般规律和作用机制还有待更深入的研究。

3.2 聚合物共混对摩擦学性能影响

聚合物共混也是提高复合材料性能常用的一种方法，通过均衡各聚合物的优异特性，获得综合性能更高的聚合物复合材料。如传统的PU 耐热差，通过与热稳定性更高的聚合物(聚二甲基硅氧烷等)共混或共聚来改变其物理或化学结构，是提高复合材料的耐热性行之有效的方法。橡胶轴承常采用与阻尼性能更高的基体材料熔融共混改性，提高其减振降噪特性，避免造成严重的环境噪声污染，获得宽温度和频率范围的高性能阻尼材料。Lu 等[49]设计并制备了一种氯化丁基橡胶(CIIR)、氯丁橡胶(CR)与NBR 三元共混的高阻尼特性复合材料，在共混质量比为80 ∶20 ∶30 时，复合材料可达到160 ℃的宽温度范围的高阻尼特性，为橡胶轴承材料设计开辟了新思路。

除普通的二元、三元共混外，互穿网络结构作为共混的一种特殊方式引起了研究者的极大关注。Yu等[50]将PU 与EP 共混，制备了具有互穿网络结构(IPN)的复合材料，不同比例PU/EP 的互穿网络形态如图8 所示。少量PU 引起基体内发生黏弹性相分离，复合材料可有效结合EP 的高承载和PU 的高弹性，表现出更高的力学性能和摩擦学性能。然而，当PU 含量逐步增加至70%时，基体内演变出双连续结构，使材料磨损加剧。Qu 等[51]通过溶液共混和热压成型的方法制备了一种丁腈橡胶/聚氨酯/环氧树脂(NBR/PU/EP)新型三元(IPN)复合材料，IPN 结构有效提高了复合材料的阻尼温度范围，与纯NBR 相比增加了54.1%，同时摩擦系数和比磨损率也显著降低。

图8 3PU/7EP 互穿网络、5PU/5EP 互穿网络和7PU/3EP 互穿网络的形态演化示意[50]Fig.8 Schematic representation of morphological evolution in 3PU/7EP IPN，5PU/5EP IPN and 7PU/3EP IPN[50]

3.3 水合作用对摩擦学性能的影响

水合复合材料主要通过吸附水分子在材料表面形成水合润滑层，有效地分离摩擦配副直接接触，改善润滑状态，从而减小摩擦磨损。Xiong 等[52]研究了两性2-甲基丙烯酰氧乙基磷酰胆碱聚合物(PMPC)接枝UHMWPE 复合材料的润滑性能。PMPC 在UHMWPE表面形成亲水性聚合物层，吸附大量水分子，提高了材料的润湿性。PMPC 层的高水合作用在摩擦界面提供了有效的润滑，改性试样摩擦系数远低于未处理的UHMWPE，磨损率降低46%。此外，水合作用可与润滑添加剂结合，进一步改善复合材料的摩擦性能。Wang等[53]将聚丙烯酰胺(PAAm)水凝胶与GO 结合，制备了PAAm-GO 增强的UHMWPE 复合材料。该复合材料表现出更好的承载能力和润滑性能，GO 可在基体中分散施加的载荷，提高UHMWPE 的力学性能，如图9a所示。将PAAm 与GO 组合后，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层，具有低的剪切阻力，为复合材料提供良好的水合润滑，其机理如图9b 所示，水合层的作用扩大UHMWPE 的应用范围并延长了使用寿命。

图9 摩擦学机理的综合分析[53]Fig.9 A comprehensive analysis of tribological mechanisms[53]

接枝改性的水合复合材料吸引水分子形成的水合润滑层在改善复合材料水润滑条件下的摩擦学性能方面起着非常有效的作用。然而，表面接枝聚合物分子刷或制备水凝胶层的技术目前还不够成熟，水合层的耐久性较差，还需要更深入的研究。

4 水润滑聚合物轴承的结构设计

水润滑轴承的结构设计关系到润滑水膜的形成和轴承的使用寿命，通常其结构设计包括轴承开槽形式、轴承间隙比、水槽形状及分布等。聚合物复合材料轴承还需要进一步考虑轴承的流固耦合作用，与金属轴承相比，聚合物轴承在使用过程中会产生较大的弹性形变，这对轴承的摩擦系数、水膜分布以及轴承的承载能力均有影响。

4.1 轴承整体结构设计

聚合物水润滑轴承通常以有无凹槽2 种设计为主，如图10 所示。有槽和无槽的设计影响轴承表面流体动压膜的形成速度及轴承的承载能力。流体动力学计算表明，有凹槽的轴承表面实现流体动力膜的速度是无槽轴承的2 倍左右，这主要是由于轴承上的沟槽可以使润滑水很容易进入到轴与轴承的接触表面[54]。但是，相比之下，光滑的轴承表面可以产生的水膜动压力更高，使得轴承的承载能力更高，这是因为未开槽的光滑表面压力分布是连续的。

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

现在大部分的轴承均采用开槽的结构设计，一方面有利于润滑介质快速进入界面，同时冷却摩擦生热；另一方面，可以冲刷泥沙颗粒、污染物以及磨屑等，防止造成进一步的严重磨损。水槽的开设位置、数量和形状对轴承的承载特性和润滑特性也存在重要影响。水槽的开设位置分为承载区和非承载区，将水槽开设在承载区对轴承承载力的削弱最大。同时，轴承的承载力会随着水槽数量的增多而下降，摩擦系数和水膜最大压强比等随之增大。王艳真等[55]研究表明，在非承载区开设多个水槽的承载力比未开设水槽的承载力小，开设周向均布的8 水槽时，轴承偏心率最大，承载能力减弱最显著。因此，水润滑轴承的结构设计为保证其散热、排沙和润滑水量时需要牺牲一部分承载能力来实现。水槽的形状可在截面形状和轴向形状方面做出进一步优化，截面形状通常以U 形、V 形和梯形3种应用最为广泛，轴向以直槽、人字槽和螺旋槽最为常见，其特点如表1 所示。

表1 水润滑轴承常见水槽形状及特点Table 1 Water tank shapes and characteristics of water lubricated bearings

针对不同的轴承材料也会采用其他的设计结构，如橡胶等导热性较差的轴承会考虑配合金属衬套设计，虽然轴承摩擦过程中产生的大部分热量都是通过润滑水的流动所带走的，通过轴承的衬套材料进行的热交换量是非常小的，但是当轴承处于无水润滑时，摩擦产生的热量就需要靠衬套材料与周围空气的热交换进行传导。Litwin[56]试验测试了PTFE-NBR-青铜3 层材料复合的水润滑轴承性能，与纯橡胶轴承相比，复合材料制备的轴承不仅综合了橡胶本身的高弹性等优点，同时也去除了橡胶轴承运动阻力高的缺点，在长时间的干摩擦下摩擦生热减少。

4.2 轴承表面结构设计

除了常规的整体结构设计方面外，轴承表面织构化也可提高轴承的润滑效果。Guo 等[57]设计了3 种带有表面凸纹理织构的UHMWPE 复合材料，测试发现这3 种凸织构对提高复合材料的摩擦学性能均能起到积极作用。图11 对比显示了添加PVA 纤维的TPU 复合材料在水中浸渍前后的形貌，TPU 中加入的亲水性PVA纤维在水环境下会吸水形成膨胀凸织构，这可以提高材料对水介质的亲和力和表面储存能力，同时还增强了流体动力润滑效果，有效提高了复合材料的润滑特性[58]。

图11 添加PVA 纤维的TPU 在水中浸渍前后的表面三维形貌[58]Fig.11 3D morphologies of the surface of TPU filled with PVA fiber before and after immersion in water[58]

轴承结构设计是十分复杂的，需要考虑的因素众多。与传统的刚性水润滑轴承相比，具有弹性的水润滑轴承(如橡胶、PU 等)表现出明显的差异，轴与轴承之间的水膜压力会使弹性材质轴承发生偏转，在轴承设计时需要考虑其中的流固相互作用。

5 结论与展望

水润滑聚合物复合材料轴承具有环境友好、化学稳定性高和减振降噪等特性而得到广泛应用，水润滑轴承的推广和使用带来的经济效益和社会效益也是十分可观的。但是，水润滑轴承的润滑特性及界面摩擦磨损机理研究是十分复杂的，涉及到润滑区间、表面结构、流固耦合作用及聚合物材料磨损机制等众多因素影响。因此，为了实现水润滑轴承的长足发展，深入探究其润滑特性和磨损机理的研究是必要的。

(1)实际应用过程中的聚合物水润滑轴承的润滑状态是复杂多变的，常处于局部接触与流体润滑共存的状态，配副间水膜不稳定，带来加剧轴承材料磨损甚至失效的风险。因此，对轴承材料的多目标优化，减少配副间固-固接触真实面积，降低轴承磨损是重要研究导向。

(2)水润滑轴承的工作环境千差万别，材料性能的差异也很大。需要对聚合物复合材料的特性进行更加系统性的研究和开发，深入探究材料内部结构、摩擦界面微观机制与材料宏观摩擦学特性之间的内在关联。开发具有自润滑性能、尺寸稳定性好、高可靠、长寿命的新材料是重要的研究方向。

(3)在选用水润滑轴承材料时应进行综合的分析和考虑，以确保机械运行的可靠性和维修的经济性等问题。因此，根据材料特性构建“结构设计-应用条件-性能获取”的三维数据库是重要的发展方向，为制备高可靠、高性能的水润滑轴承提供参考，在不久的将来，水润滑轴承材料的研究和应用将取得更大的进展。