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(lái)，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(guò)研究海水靜壓力對(duì)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(duì)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(guò)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(duì)摩擦副具有潤(rùn)滑、冷卻和腐蝕的交互作用。陳君等研究了海水腐蝕對(duì)TC4鈦合金、Hastelloy C-276合金、Inconel 625合金和Monel K500合金與316不銹鋼對(duì)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(rùn)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(duì)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(duì)巴氏合金具有潤(rùn)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(rùn)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(duì)巴氏合金的腐蝕加劇了其磨損。鈦合金表面在海水中會(huì)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(rùn)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(rùn)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(duì)摩擦副同樣存在冷卻、潤(rùn)滑和腐蝕的綜合作用。通過(guò)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(duì)摩擦副存在冷卻、潤(rùn)滑和腐蝕的綜合作用。海水在一定程度上起到了潤(rùn)滑的作用，但其對(duì)金屬材料的腐蝕加劇了其磨損。因此，研究海水冷卻、潤(rùn)滑和腐蝕對(duì)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(wú)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(rùn)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(huì)發(fā)生鈍化，表面會(huì)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(guò)程中由于鈍化膜的破壞而產(chǎn)生的新鮮表面能迅速?gòu)?fù)原，摩擦對(duì)腐蝕具有明顯的促進(jìn)作用;通過(guò)對(duì)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(rùn)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(jìng)爭(zhēng)，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(rùn)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(rùn)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(guò)程中有大量的三體磨屑產(chǎn)生，但在摩擦過(guò)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(dòng)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(guò)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(huì)存在機(jī)械磨損與腐蝕的相互競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，但機(jī)械磨損始終對(duì)摩擦表面的磨損影響最大。海水具有較好的潤(rùn)滑作用，某些陶瓷材料在海水潤(rùn)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(rùn)滑特性的陶瓷材料將是海水潤(rùn)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(guò)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(guò)對(duì)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(rùn)滑狀態(tài)，磨合過(guò)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(rùn)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(duì)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(rùn)滑膜，摩擦潤(rùn)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(rùn)滑材料�？傮w來(lái)說(shuō)，陶瓷材料在水潤(rùn)滑環(huán)境下通過(guò)摩擦化學(xué)反應(yīng)在摩擦表面形成潤(rùn)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(rùn)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(rùn)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(duì)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(duì)摩時(shí)的磨損率小于純水中的磨損率，原因可能是海水對(duì)金屬對(duì)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(duì)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(rùn)滑。5種材料與GCr15在海水中對(duì)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(rùn)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(duì)對(duì)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(rùn)滑性能密切相關(guān)的理論，其在兩種介質(zhì)中的潤(rùn)滑性能和表面潤(rùn)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(rùn)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(rùn)滑性能的決定性因素是海水中所含的Ca+ 與Mg+，海水潤(rùn)滑是一種以邊界潤(rùn)滑和流體潤(rùn)滑共同作用的混合潤(rùn)滑;聚合物在海水潤(rùn)滑下與不同金屬對(duì)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(rùn)滑材料;金屬材料在海洋環(huán)境中自配時(shí)，其磨損率的對(duì)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(wú)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(rùn)滑條件下的摩擦與潤(rùn)滑特性，研究發(fā)現(xiàn)，海水潤(rùn)滑可以降低溫度對(duì)摩擦副表面的影響。在海水潤(rùn)滑下，摩擦系數(shù)隨著速度增大而下降，原因是水的潤(rùn)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(huì)發(fā)生分解，所以控制海水溫度對(duì)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(zhǎng)呈現(xiàn)先升高后緩慢降低的趨勢(shì)，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(guò)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(rùn)滑條件下的摩擦磨損性能，研究發(fā)現(xiàn)：海水起到了潤(rùn)滑的作用，但海水的含沙量對(duì)摩擦系數(shù)的影響最大，其次是轉(zhuǎn)速;摩擦副表面有潤(rùn)滑膜形成，PTFE材料在不含沙的海水中與鍍鎳45#鋼對(duì)摩后的表面相對(duì)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(duì)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(rùn)滑材料的新選擇。通過(guò)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(rùn)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(duì)其配副的腐蝕，因此選取性能優(yōu)越的配副材料對(duì)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(rùn)滑性能，海水中的離子促進(jìn)潤(rùn)滑膜的形成，提高接觸表面的潤(rùn)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(tái)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(rùn)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(shì);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(rùn)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(duì)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(rùn)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(rùn)滑軸承上的潤(rùn)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(rùn)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(duì)其所存在的缺點(diǎn)，需對(duì)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(dòng)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(rùn)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(dòng)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(rùn)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(rùn)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(guò)程中的溫度變化不大，可使其保持穩(wěn)定的滑動(dòng)狀態(tài)。Chen等對(duì)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(rùn)滑效果。申鳳梅研究發(fā)現(xiàn)，氮化硅(Si3N4)不適宜用于滑動(dòng)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(chǎng)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(rùn)滑下的摩擦磨損特性，發(fā)現(xiàn)在一定范圍內(nèi)的滑動(dòng)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(rùn)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(guó)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(rùn)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(guò)程中形成的孔洞，摩擦過(guò)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(wú)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(chǔ)存水，改善了潤(rùn)滑條件。
在海水環(huán)境下，通過(guò)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(lái)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(shí)、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(guó)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(lái)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(duì)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(rùn)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(rùn)滑下的摩擦學(xué)行為，研究結(jié)果顯示：水相介質(zhì)沒有對(duì)Ni-P涂層造成腐蝕;海水潤(rùn)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(rùn)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(guò)選取性能優(yōu)異的材料，優(yōu)化工件的設(shè)計(jì)以此來(lái)減少摩擦過(guò)程中的腐蝕磨損，同時(shí)通過(guò)電化學(xué)保護(hù)、表面處理等技術(shù)來(lái)控制腐蝕磨損也是近年來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)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(lái)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(rùn)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(rùn)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(duì)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(duì)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(lái)海洋環(huán)境下關(guān)鍵摩擦副材料的發(fā)展方向。
2 結(jié)語(yǔ)
海洋資源開發(fā)和海洋經(jīng)濟(jì)活動(dòng)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(zhǎng)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(shí)的不足，為我國(guó)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(cè)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(kù)，為提升材料的工作性能奠定基礎(chǔ)。
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