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海洋環(huán)境下關(guān)鍵摩擦副材料的摩擦學(xué)研究現(xiàn)狀與展望的論文
1 海洋環(huán)境下關(guān)鍵摩擦副材料摩擦學(xué)研究現(xiàn)狀
1.1 金屬與金屬配副在海水中的摩擦學(xué)行為
金屬合金因具有高比強(qiáng)度、耐高溫和耐腐蝕等優(yōu)異的性能而被廣泛應(yīng)用于石油、化工、生物、航海等領(lǐng)域。近年來，隨著海洋設(shè)備的開發(fā)和利用，一些合金具有優(yōu)異的耐腐蝕性能、良好的低溫性能、嵌藏性和順應(yīng)性能，為水下機(jī)器人、深海設(shè)備、海水柱塞泵等領(lǐng)域關(guān)鍵摩擦副材料的選擇提供了技術(shù)支持，因此，研究金屬材料在海洋環(huán)境中的摩擦學(xué)特性備受關(guān)注。
Wang等通過研究海水靜壓力對316鋼、Hastelloy C-276、Inconel 625和TC4鈦合金摩擦磨損機(jī)制的影響，發(fā)現(xiàn)合金的磨損率隨海水靜壓增大呈指數(shù)遞減關(guān)系。Zhang等研究了海水鹵化物濃度對奧氏體不銹鋼摩擦學(xué)特性的影響，發(fā)現(xiàn)海水鹵化物雖然提高了不銹鋼點(diǎn)蝕的敏感性，但能降低材料的摩擦系數(shù)，提高材料的摩擦學(xué)特性。Cui等通過研究Cu-6Sn-6Zn-3Pb合金在海水、蒸餾水和干摩擦條件下的摩擦學(xué)行為，發(fā)現(xiàn)在海水條件下的摩擦系數(shù)低于純水，在純水和干摩擦條件下，合金以磨粒磨損和塑性變形為主，但在海水下則以磨粒磨損、塑性變形和腐蝕磨損為主。海水對摩擦副具有潤滑、冷卻和腐蝕的交互作用。陳君等研究了海水腐蝕對TC4鈦合金、Hastelloy C-276合金、Inconel 625合金和Monel K500合金與316不銹鋼對磨時(shí)的影響，并與純水環(huán)境下進(jìn)行了比較，研究發(fā)現(xiàn)海水具有明顯的潤滑作用，降低了摩擦副的摩擦系數(shù)，但海水的腐蝕加速了合金的磨損，海水環(huán)境下腐蝕與磨損的交互作用對摩擦副的摩擦學(xué)行為影響較大。吳海榮等研究了ZChSnSb8-8(巴氏合金)/AISI52100(軸承鋼)摩擦副在模擬海水環(huán)境下的摩擦學(xué)行為，發(fā)現(xiàn)海水對巴氏合金具有潤滑和腐蝕雙重作用，巴氏合金特有的微觀組織以及海水的潤滑作用，使其在海水環(huán)境下相比于干摩擦具有較低的摩擦系數(shù)和磨損率，但海水對巴氏合金的腐蝕加劇了其磨損。鈦合金表面在海水中會立即生成一層保護(hù)膜，使之處于鈍化狀態(tài)，在常溫海水環(huán)境中不發(fā)生點(diǎn)蝕和縫隙腐蝕，是目前已知的抗常溫海洋環(huán)境最優(yōu)異的金屬材料。丁紅燕等研究發(fā)現(xiàn)TC11(鈦合金)/GCr15(軸承鋼)摩擦副在人造海水中的摩擦系數(shù)比在純凈水中低，原因是隨著載荷的增加，摩擦接觸點(diǎn)的局部應(yīng)力增大，在正應(yīng)力作用下形成細(xì)小的磨屑，這些磨屑在海水中起到類似“滾珠”的作用進(jìn)一步降低摩擦系數(shù)。TC11在海水中形成的潤滑膜也有助于降低摩擦系數(shù)，但其磨損量比純水中要高，原因是海水的腐蝕加速了磨損;TC11在海水中的磨損機(jī)制主要是疲勞脫落和磨粒磨損。李新星等研究了TC4/GCr15摩擦副在空氣、純水和模擬海水環(huán)境下的摩擦學(xué)行為，結(jié)果顯示TC4在模擬海水中的腐蝕速度加快，磨損率一直最高，腐蝕和磨損兩者在海水環(huán)境下有明顯的相互促進(jìn)。TC4在模擬海水中形成潤滑膜可明顯降低摩擦系數(shù)，進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，其在模擬海水中的磨損機(jī)制是疲勞磨損和磨粒磨損的綜合作用Zhu等研究了不同環(huán)境下Ni3Al合金與AISI 52100摩擦副在不同載荷下的摩擦學(xué)行為，發(fā)現(xiàn)在海水中能明顯提高Ni3Al合金的摩擦學(xué)性能，使其優(yōu)于TC4鈦合金，海水對摩擦副同樣存在冷卻、潤滑和腐蝕的綜合作用。通過以上的研究可以看出，金屬與金屬配副在海水中的摩擦學(xué)行為不僅受海水的壓力、鹵化物濃度等影響，而且海水對摩擦副存在冷卻、潤滑和腐蝕的綜合作用。海水在一定程度上起到了潤滑的作用，但其對金屬材料的腐蝕加劇了其磨損。因此，研究海水冷卻、潤滑和腐蝕對其共同作用的摩擦磨損機(jī)理可以更好地反映其在海水中的摩擦學(xué)行為。
1.2 陶瓷與金屬配副在海水中的摩擦學(xué)行為
陶瓷材料因具有耐腐蝕、耐高溫、高硬度、耐磨、無污染等特性，被廣泛應(yīng)用于工程領(lǐng)域。隨著科技的發(fā)展，新型陶瓷材料在工程領(lǐng)域中的應(yīng)用不斷擴(kuò)大，特別是海洋極端環(huán)境下要求陶瓷材料能穩(wěn)定可靠地工作，基于海水潤滑的陶瓷摩擦副應(yīng)運(yùn)而生。
陳君等研究了TC4/Al2O3摩擦副在模擬海水下的腐蝕磨損行為，結(jié)果顯示：TC4在海水中會發(fā)生鈍化，表面會生成致密的TiO2鈍化膜使其具有較好的耐腐蝕性能;在磨損過程中由于鈍化膜的破壞而產(chǎn)生的新鮮表面能迅速復(fù)原，摩擦對腐蝕具有明顯的促進(jìn)作用;通過對腐蝕與磨損交互作用的進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)磨損作用大于腐蝕，另外腐蝕與磨損的交互作用在低載荷、低轉(zhuǎn)速下尤為明顯。Cui等研究了SiC復(fù)合陶瓷與不銹鋼配副在海水中的摩擦學(xué)行為，研究顯示SiC中的石墨可以有效提高其在海水中的潤滑作用，復(fù)合陶瓷中的青銅與SiC的協(xié)同作用使其具有優(yōu)異的摩擦學(xué)特性。任書芳等研究了NiCr合金、不銹鋼在干摩擦、蒸餾水和人工海水中的摩擦磨損性能，分析結(jié)果顯示，不銹鋼在海水中摩擦磨損比蒸餾水更低，可能是Fe和海水發(fā)生反應(yīng)生成的FeCl2起到了減摩抗磨的作用。NiCr合金中的Cr元素在摩擦作用下和海水反應(yīng)生成的磨損產(chǎn)物CrCl3或鉻酸鹽(CrO22- 或CrO42-)等具有優(yōu)異減摩抗磨作用。摩擦副的機(jī)械磨損為晶粒拔出脫落和黏著磨損，雖然在摩擦條件下存在機(jī)械磨損和摩擦化學(xué)磨損競爭，但機(jī)械磨損一直為主要磨損機(jī)制。Liu等研究了氮化硅/不銹鋼配副在海水潤滑下的摩擦學(xué)特性，并與干摩擦、純水環(huán)境下進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)氮化硅摩擦表面與水發(fā)生摩擦化學(xué)反應(yīng)生成SiO2膠體粒子，而海水中的某些離子也能促進(jìn)膠體粒子的生成使摩擦表面形成邊界潤滑，獲得較低的摩擦系數(shù)和磨損率。Wang等研究發(fā)現(xiàn)Ti3AlO2陶瓷硬度高于AISI 316L，所以兩種材料在相互摩擦過程中有大量的三體磨屑產(chǎn)生，但在摩擦過程中海水能帶走大量的磨屑，使摩擦副獲得較為穩(wěn)定的運(yùn)動狀態(tài)，但仍有較高的摩擦因數(shù)和磨損率。摩擦接觸表面發(fā)生了摩擦化學(xué)反應(yīng)，生成了TiO2、Al2O3和Fe3O4。通過以上的研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在海水環(huán)境中，金屬與陶瓷摩擦副在低載荷、低轉(zhuǎn)速時(shí)腐蝕和機(jī)械磨損的交互作用不可忽視。在不同的試驗(yàn)條件下會存在機(jī)械磨損與腐蝕的相互競爭關(guān)系，但機(jī)械磨損始終對摩擦表面的磨損影響最大。海水具有較好的潤滑作用，某些陶瓷材料在海水潤滑下發(fā)生了摩擦化學(xué)反應(yīng)，生成的產(chǎn)物使其獲得較好的摩擦特性。因此，具有水潤滑特性的陶瓷材料將是海水潤滑領(lǐng)域的研究重點(diǎn)之一。
1.3 陶瓷與陶瓷配副在海水中的摩擦學(xué)行為
Chen和Gates分別研究了Si3N4與SiC陶瓷在海水中自配時(shí)的摩擦學(xué)性能，結(jié)果顯示，通過一段時(shí)間的摩擦后，兩種陶瓷材料的摩擦系數(shù)都很小，但Si3N4的磨合時(shí)間短于SiC，原因主要是兩種陶瓷材料表面發(fā)生的摩擦化學(xué)反應(yīng)以及形成產(chǎn)物的影響。余歆尤等通過對比Sialon、SiC、ZrO2和Al2O3陶瓷材料在海水環(huán)境下的摩擦學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)SiC/SiC摩擦副的摩擦性能最佳。任書芳等研究了Ti3SiC2陶瓷與Al2O3陶瓷摩擦副在人工海水下的摩擦學(xué)行為，研究發(fā)現(xiàn)，Ti3SiC2在海水條件下的磨損特征表現(xiàn)為晶粒的拔出與脫落，海水介質(zhì)阻止了摩擦表面材料的轉(zhuǎn)移。摩擦副仍受機(jī)械磨損與摩擦氧化的交互作用影響。劉海葉研究了SiC/Ti(C，N)陶瓷摩擦副在海水下的摩擦學(xué)性能，研究結(jié)果顯示：高速高載、高速低載SiC/Ti(C，N)陶瓷摩擦副在海水中滑行都能進(jìn)入流體潤滑狀態(tài)，磨合過程中發(fā)生了機(jī)械磨損和化學(xué)腐蝕磨損，海水中的Na+ 與其他離子的共同作用可以加速潤滑膜的形成，使SiC/Ti(C，N)摩擦副具有更優(yōu)異的摩擦學(xué)性能。Kong等發(fā)現(xiàn)C-Co陶瓷/氟化物配副在海水環(huán)境下能獲得較低的摩擦因數(shù)和磨損率，海水對于摩擦學(xué)性能的提高起到了關(guān)鍵的作用，同時(shí)促進(jìn)摩擦表面摩擦化學(xué)產(chǎn)物Al2O3和SiOx的生成。Wang等研究了Ti3AlO2陶瓷分別與Al2O3和SiC配副在海水環(huán)境下的摩擦特性，研究發(fā)現(xiàn)Ti3AlO2陶瓷并未顯示出較好的摩擦學(xué)特性，摩擦表面的磨損主要是機(jī)械磨損。但Ti3AlO2/SiC卻表現(xiàn)出優(yōu)異的摩擦學(xué)性能，主要原因是摩擦表面發(fā)生了摩擦化學(xué)反應(yīng)生成一層表面潤滑膜，摩擦潤滑膜的主要成分有TiO2、Al2O3以及SiOx。試驗(yàn)顯示，Ti3AlO2/SiC是一種極具潛力的海洋潤滑材料�？傮w來說，陶瓷材料在水潤滑環(huán)境下通過摩擦化學(xué)反應(yīng)在摩擦表面形成潤滑膜，降低了摩擦因數(shù)和磨損率，海水中含有的某些離子可促進(jìn)摩擦反應(yīng)和潤滑膜的形成，使其具有更好的摩擦學(xué)特性，有利于在海水潤滑摩擦副中的應(yīng)用與推廣。陶瓷摩擦副主要受到機(jī)械磨損和摩擦化學(xué)磨損的交互影響。
1.4 聚合物與金屬配副在海水中的摩擦學(xué)行為
相對于金屬和陶瓷材料，聚合物及其復(fù)合材料可在一定條件下產(chǎn)生較大的變形，具有較好的完全復(fù)原能力，其所具有的包埋磨粒特性能極大地提高其耐磨性，因而被廣泛應(yīng)用于海水環(huán)境下的關(guān)鍵摩擦副材料。
Lancaster發(fā)現(xiàn)在海水環(huán)境下，碳纖維增強(qiáng)的聚合物與S80不銹鋼對摩時(shí)的磨損率小于純水中的磨損率，原因可能是海水對金屬對摩面的腐蝕促進(jìn)其表面的拋光與粗糙度的降低。王建章等研究了超分子量聚乙烯等復(fù)合材料在海水、純水中分別與鋼(GCr15)和鎳基合金(Ni-Cr-WC)對摩時(shí)的摩擦學(xué)行為，研究發(fā)現(xiàn)：碳纖維/PTFE(聚四氟乙烯)具有最低的摩擦系數(shù)和磨損率，比較適合于海水潤滑。5種材料與GCr15在海水中對摩時(shí)的摩擦系數(shù)與磨損率較高的原因是GCr15在海水腐蝕下表面粗糙度增加，使得海水液膜難以形成，海水的潤滑作用較差;另外，軟質(zhì)聚合物與硬質(zhì)金屬之間的直接接觸面積增大，因而，聚合物的摩擦系數(shù)與磨損率隨著GCr15表面粗糙度的增加而增大。這種依賴于介質(zhì)對對偶面腐蝕的磨損稱為間接腐蝕磨損。Ni-Cr-WC合金不僅在純水或海水中的接觸角小于GCr15，而且依據(jù)液膜厚度與摩擦表面的潤滑性能密切相關(guān)的理論，其在兩種介質(zhì)中的潤滑性能和表面潤滑作用均優(yōu)于GCr15。王建章研究了UHMWPE(超高分子量聚乙烯)等聚合物在海水潤滑下的摩擦學(xué)行為，并考察了TC4等金屬材料在模擬海洋環(huán)境中的磨損機(jī)制，研究發(fā)現(xiàn)：海水具有比純水更優(yōu)異的潤滑性能的決定性因素是海水中所含的Ca+ 與Mg+，海水潤滑是一種以邊界潤滑和流體潤滑共同作用的混合潤滑;聚合物在海水潤滑下與不同金屬對摩時(shí)，遵從間接腐蝕磨損機(jī)制;UHMWPE與碳纖維/PTFE是十分具有潛力的海水潤滑材料;金屬材料在海洋環(huán)境中自配時(shí)，其磨損率的對數(shù)與海水靜壓或者海水深度呈指數(shù)遞減的關(guān)系;在深海環(huán)境下，TC4具有其他合金無法比擬的耐磨損能力。
孫文麗等研究了賽龍/鍍鎳鋼配副在海水潤滑條件下的摩擦與潤滑特性，研究發(fā)現(xiàn)，海水潤滑可以降低溫度對摩擦副表面的影響。在海水潤滑下，摩擦系數(shù)隨著速度增大而下降，原因是水的潤滑作用使摩擦表面的最大摩擦力小于干摩擦條件下的摩擦力。當(dāng)溫度達(dá)到60℃時(shí)，賽龍材料在水中會發(fā)生分解，所以控制海水溫度對提高摩擦副的摩擦學(xué)性能有著至關(guān)重要的作用。摩擦副的磨損機(jī)制有腐蝕磨損、氣蝕磨損和磨粒磨損。段海濤研究了GCr15分別與賽龍、飛龍、超高分子量聚乙烯摩擦副在淡水和海水介質(zhì)中的摩擦學(xué)特性，研究結(jié)果顯示：超高分子量聚乙烯/GCr15與飛龍/GCr15摩擦副在海水介質(zhì)中的摩擦系數(shù)都隨著轉(zhuǎn)速的增加而下降;超高分子量聚乙烯與飛龍的磨損體積都隨著轉(zhuǎn)速的增加而增加;超高分子量聚乙烯的磨損機(jī)制主要是磨粒磨損、塑性變形和材料褶皺，賽龍的磨損機(jī)制主要是磨粒磨損、疲勞磨損和材料褶皺。飛龍/GCr15摩擦副在海水介質(zhì)中的摩擦系數(shù)隨時(shí)間延長呈現(xiàn)先升高后緩慢降低的趨勢，隨轉(zhuǎn)速的增加而降低;磨損機(jī)制主要是磨粒磨損、疲勞磨損。通過進(jìn)一步比較發(fā)現(xiàn)，在海水介質(zhì)中，超高分子量聚乙烯/GCr15摩擦副的摩擦系數(shù)和磨損體積都最小。張麗靜研究了聚四氟乙烯/鍍鎳45#鋼摩擦副在海水潤滑條件下的摩擦磨損性能，研究發(fā)現(xiàn)：海水起到了潤滑的作用，但海水的含沙量對摩擦系數(shù)的影響最大，其次是轉(zhuǎn)速;摩擦副表面有潤滑膜形成，PTFE材料在不含沙的海水中與鍍鎳45#鋼對摩后的表面相對較平滑;在含沙海水中的磨損主要是磨粒磨損和局部粘著磨損，這兩者的存在使材料表面磨損嚴(yán)重。目前，由于苛刻的工作環(huán)境對機(jī)械零部件的性能提出了極高的要求，而聚合物復(fù)合材料不僅有良好的力學(xué)性能和摩擦性能，還具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)，成為海水潤滑材料的新選擇。通過大量研究發(fā)現(xiàn)，UHMWPE/PTFE、碳纖維PTFE在海水環(huán)境下具有更好的摩擦學(xué)性能，是十分具有潛力的海水潤滑材料。聚合物材料在海水環(huán)境下的磨損遵從間接腐蝕磨損，即其磨損程度取決于海水對其配副的腐蝕，因此選取性能優(yōu)越的配副材料對聚合物摩擦副尤為關(guān)鍵。海水溫度、含沙量也是影響聚合物材料摩擦學(xué)性能的因素，探尋在海水環(huán)境下使用摩擦學(xué)性能更佳的聚合物材料具有重要的科研和實(shí)用價(jià)值。海水所具有的復(fù)雜介質(zhì)環(huán)境使其具有比純水更好的潤滑性能，海水中的離子促進(jìn)潤滑膜的形成，提高接觸表面的潤滑特性。海水環(huán)境中，腐蝕磨損、氣蝕磨損和磨粒磨損是聚合物材料的主要磨損機(jī)制。金屬材料在海水中的磨損率還與海水的深度、壓力等有關(guān)。鈦合金(TC4)表現(xiàn)出優(yōu)異的摩擦學(xué)性能，為深海環(huán)境下金屬材料的選擇提供新的思路。另外，改善聚合物材料的物化特性，系統(tǒng)深入研究聚合物與金屬配副在海水環(huán)境下的摩擦磨損性能，在海洋工程領(lǐng)域具有重要的意義。
橡膠材料因具有減振、抗摩擦磨損、易加工等特性而被廣泛使用在海洋平臺的減振系統(tǒng)、海洋裝備的密封系統(tǒng)等。橡膠可以克服傳統(tǒng)金屬摩擦副壽命短、漏油污染等缺點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于海水潤滑軸承。
廖明義等制備了丁腈橡膠摩擦副，研究其在海水介質(zhì)中的摩擦磨損性能，研究發(fā)現(xiàn)：炭黑量和二氧化鉬添加量明顯影響橡膠的摩擦因數(shù)和磨損量;隨著載荷的增大，橡膠摩擦副的摩擦因數(shù)和磨損量均呈現(xiàn)先增大后減小再明顯增大的趨勢;隨著轉(zhuǎn)速的增大，橡膠摩擦副的摩擦因數(shù)和磨損量均明顯減小，并且海水中的摩擦因數(shù)和磨損量均大于淡水，原因主要是海水中含有大量的Na+、Cl- 阻礙海水在橡膠摩擦副表面形成光滑的水膜;配副45#鋼產(chǎn)生了電化學(xué)腐蝕，在增加其表面粗糙度的同時(shí)也削弱了海水的潤滑作用，導(dǎo)致摩擦副在海水中的摩擦因數(shù)與磨損量增加。他們隨后研究了氯磺化聚乙烯(CSM)橡膠摩擦副在海水中的摩擦磨損特性，同時(shí)與丁腈橡膠(NBR)進(jìn)行對比，結(jié)果表明：CSM顯示出優(yōu)異的耐水性能，均優(yōu)于NBR;在變速、變載荷的實(shí)驗(yàn)條件下，CSM 摩擦副的摩擦系數(shù)、磨損量在絕大多數(shù)工況下均小于NBR，是一種制備水潤滑橡膠摩擦副的理想基體材料。董從林等系統(tǒng)研究了橡膠材料在水潤滑軸承上的潤滑機(jī)理、磨損機(jī)理和可靠性壽命等，獲得較好的試驗(yàn)結(jié)果。橡膠材料在海水中的摩擦學(xué)特性受橡膠的種類、填料、載荷、轉(zhuǎn)速、海水環(huán)境等影響。海水中所含有的離子阻礙了橡膠表面產(chǎn)生潤滑膜，配副材料的腐蝕也進(jìn)一步加劇摩擦表面的磨損。因此，在實(shí)際研究中針對其所存在的缺點(diǎn)，需對橡膠材料進(jìn)行改性，以期獲得更好的摩擦磨損性能，同時(shí)，選取性能優(yōu)越的配副材料也尤為關(guān)鍵。
1.5 聚合物與陶瓷配副在海水中的摩擦學(xué)行為
海水液壓泵作為海水液壓傳動的核心元件之一，被廣泛地應(yīng)用于海洋工程裝備技術(shù)中，而海水液壓泵關(guān)鍵摩擦副的材料因?yàn)槭褂铆h(huán)境的特殊一直受到極大的限制。一方面，需要摩擦副材料耐海水腐蝕;另一方面需要摩擦副材料耐磨損，因此研究出適合海水液壓泵關(guān)鍵摩擦副部件的材料具有非常重要的意義。
Sumer等研究了PEEK(聚醚醚酮)和玻璃纖維增強(qiáng)PEEK在干摩擦和水潤滑條件下的摩擦磨損特性，研究發(fā)現(xiàn)純PEEK和玻璃纖維增強(qiáng)PEEK的磨損系數(shù)和磨損率隨著施加壓力的增加而增加。磨損率隨著滑動速度的增加而增加，但摩擦因數(shù)卻隨著速度的增加而降低。相比于干摩擦條件，水潤滑條件下能獲得較低的摩擦因數(shù)和磨損率。Zhang等研究了碳纖維增強(qiáng)PEEK在水潤滑條件下的摩擦磨損特性，發(fā)現(xiàn)碳纖維增強(qiáng)PEEK比純PEEK表現(xiàn)出更好的摩擦學(xué)特性，一些碳纖維被擠壓和碾磨，混合分布在摩擦表面，提升了其耐磨性。碳纖維增強(qiáng)PEEK具有較小的摩擦因數(shù)，而且其在摩擦過程中的溫度變化不大，可使其保持穩(wěn)定的滑動狀態(tài)。Chen等對比研究了碳纖維增強(qiáng)PEEK在干摩擦、純水以及海水環(huán)境下的摩擦學(xué)行為，結(jié)果發(fā)現(xiàn)碳纖維能極大地提高PEEK在海水環(huán)境下的摩擦特性，特別是碳纖維體積分?jǐn)?shù)為10%時(shí)，性能最好。原因是碳纖維能有效地分擔(dān)摩擦接觸面的負(fù)載，減少了基體的磨損。另外，海水表現(xiàn)出較好的潤滑效果。申鳳梅研究發(fā)現(xiàn)，氮化硅(Si3N4)不適宜用于滑動速度經(jīng)常發(fā)生變化的摩擦配副材料，但適用于壓力不斷變化的場合。廖伍舉等研究了PEEK450-FC30(碳纖維增強(qiáng)聚醚醚酮)與SiC(碳化硅)摩擦副在海水潤滑下的摩擦磨損特性，發(fā)現(xiàn)在一定范圍內(nèi)的滑動速度、接觸壓力下，該摩擦副呈現(xiàn)較小的磨損率和摩擦系數(shù)。在海水潤滑下，SiC磨損并不明顯，而PEEK450-FC30的磨損主要是以塑性涂抹為特征的粘著和SiC 表面粗糙峰引起的機(jī)械犁耕。唐群國等研究了Ti(C，N)基金屬陶瓷/CFRPEEK(碳纖維增強(qiáng)聚醚醚酮)配副在海水潤滑下的摩擦磨損特性，研究發(fā)現(xiàn)：Ti(C，N)金屬陶瓷表面存在大量材料制備過程中形成的孔洞，摩擦過程中CFRPEEK 表面脫落的磨屑嵌入這些微孔內(nèi)，使其摩擦表面摩擦后無明顯的磨屑，有利于減小摩擦;同時(shí)這些疏松的孔洞還能儲存水，改善了潤滑條件。
在海水環(huán)境下，通過改變聚合物材料的成分，引進(jìn)力學(xué)性能較好的玻璃纖維、碳纖維等材料所制得的聚合物復(fù)合材料具有優(yōu)異的摩擦磨損特性;但聚合物的磨損仍然受配副材料的影響。納米材料技術(shù)的發(fā)展為聚合物摩擦學(xué)的改性研究提供了新的理論與方法。系統(tǒng)深入研究納米聚合物材料及復(fù)合填料的協(xié)同可提高聚合物材料在海水環(huán)境下的摩擦學(xué)特性。金屬陶瓷兼有金屬和陶瓷材料的特點(diǎn)，具有良好的耐磨性、高硬度以及良好的化學(xué)穩(wěn)定性，也是近年來海水環(huán)境下摩擦副材料的研究熱點(diǎn)之一。結(jié)合聚合物和某些陶瓷材料優(yōu)異的摩擦學(xué)性能，系統(tǒng)地研究其在海水中的摩擦學(xué)、可靠性等關(guān)鍵問題，可以為海水液壓泵中關(guān)鍵摩擦副材料的選取提供重要的依據(jù)。
1.6 其他技術(shù)在關(guān)鍵摩擦副材料中的應(yīng)用
21世紀(jì)是人類全面認(rèn)識、開發(fā)利用和保護(hù)海洋的新世紀(jì)。海洋工程材料的發(fā)展與突破是實(shí)現(xiàn)海洋科技創(chuàng)新、海洋可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)和先導(dǎo)。海洋工程材料在海洋極端環(huán)境下的摩擦學(xué)問題及失效機(jī)制的探索成為我國海洋工程領(lǐng)域亟待發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一。當(dāng)前海水環(huán)境下關(guān)鍵摩擦副材料的研究除了前面介紹的幾種以外，還有一些新的技術(shù)。表面工程技術(shù)近年來已成為實(shí)現(xiàn)海洋工程裝備材料最終性能的重要手段，它可以不破壞材料的自身性能，對材料表面性能進(jìn)行強(qiáng)化或再生，使材料表面具有優(yōu)異的摩擦學(xué)特性。海洋工程裝備關(guān)鍵部件的表面強(qiáng)化技術(shù)主要有離子注入、表面涂層技術(shù)等。根據(jù)相關(guān)的研究，離子注入可有效地降低陶瓷的摩擦系數(shù)和磨損率，陶瓷表面特定的涂層可有效改善其在水潤滑中的摩擦磨損性能。張明星等研究發(fā)現(xiàn)，Ni-B涂層可有效提高45#鋼的耐腐蝕性能，使其在海水中的腐蝕速度降低。劉栓等研究表明石墨烯環(huán)氧涂層可有效降低摩擦副在海水環(huán)境中的摩擦系數(shù)和磨損率。陳顥等在鑄鐵表面制備了3種不同環(huán)氧值的環(huán)氧樹脂涂層，發(fā)現(xiàn)海水環(huán)境中涂層的摩擦系數(shù)和磨損率均低于干燥條件，涂層在接觸面可形成水膜將摩擦副隔開，減小了接觸面積和載荷;磨屑被海水及時(shí)帶走抑制了磨粒磨損，減小了摩擦系數(shù)和磨損率。王建章等研究了聚四氟乙烯/Ni-P合金涂層在海水潤滑下的摩擦學(xué)行為，研究結(jié)果顯示：水相介質(zhì)沒有對Ni-P涂層造成腐蝕;海水潤滑下Ni-P合金涂層表面沉積了分子淤泥狀的物質(zhì)Mg(OH)2和CaCO3，使其具有一定的邊界潤滑作用，起到隔離摩擦副阻止摩擦副的直接接觸�？紤]到許多摩擦副材料在海洋環(huán)境下的腐蝕行為，涉及電化學(xué)腐蝕、載荷和腐蝕作用下的耦合摩擦學(xué)行為，因此，研究海水環(huán)境下材料的耐腐蝕磨損也尤為關(guān)鍵。通過選取性能優(yōu)異的材料，優(yōu)化工件的設(shè)計(jì)以此來減少摩擦過程中的腐蝕磨損，同時(shí)通過電化學(xué)保護(hù)、表面處理等技術(shù)來控制腐蝕磨損也是近年來的發(fā)展趨勢之一。材料的表面改性也能提高材料的耐磨性和抗蝕性，日益受到材料防腐蝕領(lǐng)域的重視。
總體來看，表面工程技術(shù)可以賦予材料表面特殊的性能，使其在海水環(huán)境下具有較好的摩擦學(xué)性能，是海洋材料摩擦學(xué)的主要發(fā)展方向之一。涂層材料在海水環(huán)境的作用下可形成一層潤滑膜，阻止摩擦副的直接接觸，使摩擦副具有優(yōu)異的摩擦性能，海水的混合潤滑作用進(jìn)一步提高摩擦副的摩擦學(xué)性能。研究材料的電化學(xué)腐蝕，載荷和腐蝕作用下的耦合摩擦學(xué)行為，對減少材料的腐蝕磨損也至關(guān)重要。新型的研究方法能極大地拓寬海洋材料的種類，同時(shí)也為海洋工程裝備的關(guān)鍵摩擦副材料提供了有力支撐。探索出針對不同配副的表面技術(shù)和耐腐蝕技術(shù)以期獲得優(yōu)異的摩擦學(xué)特性是未來海洋環(huán)境下關(guān)鍵摩擦副材料的發(fā)展方向。
2 結(jié)語
海洋資源開發(fā)和海洋經(jīng)濟(jì)活動的發(fā)展都離不開相關(guān)設(shè)備的支持，而開展海洋環(huán)境下關(guān)鍵摩擦副材料的摩擦學(xué)研究，不但可以豐富現(xiàn)有的摩擦學(xué)理論，促進(jìn)海洋極端環(huán)境下摩擦學(xué)實(shí)驗(yàn)的長足發(fā)展，而且引入材料學(xué)、防腐蝕等學(xué)科內(nèi)容，可彌補(bǔ)現(xiàn)有知識的不足，為我國海洋領(lǐng)域存在的工程技術(shù)問題的解決提供新的方法與思路，也為海洋裝備及關(guān)鍵摩擦副的安全及可靠性工作提供有力的支持。雖然海洋環(huán)境下材料的摩擦學(xué)有了一定的發(fā)展，但由于海洋環(huán)境的復(fù)雜多變，海洋工程裝備面臨的摩擦學(xué)問題復(fù)雜多樣，試驗(yàn)難度大等問題，目前，該領(lǐng)域仍有許多問題值得進(jìn)一步研究。
(1)材料在海水環(huán)境下的摩擦磨損多是某些因素交互作用產(chǎn)生的，這些交互作用機(jī)理對材料摩擦學(xué)影響的研究尚不完善，例如，腐蝕和機(jī)械磨損對關(guān)鍵摩擦副的交互作用機(jī)理、機(jī)械磨損和摩擦化學(xué)磨損對關(guān)鍵摩擦副的交互作用機(jī)理等。
(2)海水介質(zhì)環(huán)境較為復(fù)雜，海水環(huán)境對材料摩擦學(xué)的影響機(jī)理尚不完善，例如，海水的壓力、鹵化物濃度、含沙量、溫度等對關(guān)鍵摩擦副摩擦性能的影響。
(3)試驗(yàn)方法和技術(shù)需進(jìn)一步提高。海洋環(huán)境下關(guān)鍵摩擦副材料的摩擦學(xué)特性研究，需要將試驗(yàn)?zāi)M與實(shí)際海洋測試緊密聯(lián)系，同時(shí)也要將設(shè)計(jì)的試驗(yàn)裝置與實(shí)際的海洋工程裝備緊密聯(lián)系。
(4)深海環(huán)境下關(guān)鍵摩擦副的摩擦與磨損機(jī)理的研究尚不完善，例如，在海水環(huán)境下，關(guān)鍵部件關(guān)鍵摩擦副在高壓大載荷交互作用下的摩擦學(xué)性能。
(5)關(guān)鍵摩擦副材料在海洋環(huán)境下的可靠性與壽命是保證海洋工程裝備安全可靠運(yùn)行的前提，建立摩擦副材料關(guān)鍵試驗(yàn)技術(shù)和數(shù)據(jù)庫，為提升材料的工作性能奠定基礎(chǔ)。
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