水潤(rùn)滑材料研究進(jìn)展

白照高，張海鷹，牛宏磊，孫繼紅，劉 昊，王建章

(1. 海軍裝備部，陜西 西安 710077；2. 中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司 第七〇五研究所，陜西 西安710077；3. 海軍駐侯馬八七四廠(chǎng)軍事代表室，山西 侯馬 043002；4. 中國(guó)科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所，甘肅 蘭州 730000)

水潤(rùn)滑材料研究進(jìn)展

白照高1，張海鷹2，牛宏磊2，孫繼紅3，劉 昊4，王建章4

(1. 海軍裝備部，陜西 西安 710077；2. 中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司 第七〇五研究所，陜西 西安710077；3. 海軍駐侯馬八七四廠(chǎng)軍事代表室，山西 侯馬 043002；4. 中國(guó)科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所，甘肅 蘭州 730000)

材料服役于水環(huán)境中，其摩擦磨損行為不僅與摩擦副材料本身的性質(zhì)有關(guān)，還與載荷、速度、溫度等因素相關(guān)，同時(shí)也與所處的環(huán)境有很大關(guān)系。本文重點(diǎn)闡述水環(huán)境對(duì)材料摩擦磨損性能的影響機(jī)制。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步討論材料在水溶液中的摩擦磨損行為。

水環(huán)境；潤(rùn)滑材料；摩擦；磨損

0 引 言

水具有無(wú)污染、來(lái)源廣泛等特性，是一種天然的潤(rùn)滑介質(zhì)。而設(shè)備服役于水環(huán)境中，其摩擦部件不可避免的涉及到水潤(rùn)滑材料的設(shè)計(jì)、選取和應(yīng)用。作為潤(rùn)滑介質(zhì)和工作環(huán)境，水具有粘度低、腐蝕性強(qiáng)等特點(diǎn)。因此，有必要開(kāi)展水環(huán)境下服役的材料摩擦學(xué)性能研究。實(shí)際上，材料的摩擦磨損是一個(gè)復(fù)雜的問(wèn)題，不僅與材料本身的性質(zhì)有關(guān)，還與載荷、速度、溫度、對(duì)偶材料等因素相關(guān)，同時(shí)與材料所處的水環(huán)境有著很大的關(guān)系。

本文將著重闡述幾種常見(jiàn)水潤(rùn)滑材料，重點(diǎn)討論水環(huán)境，尤其是海水環(huán)境對(duì)材料摩擦磨損行為的影響規(guī)律。

1 水環(huán)境對(duì)材料摩擦磨損的影響因素

當(dāng)材料在水環(huán)境中運(yùn)行時(shí)，水對(duì)其摩擦磨損行為會(huì)產(chǎn)生很大的影響。目前，對(duì)水潤(rùn)滑下材料的摩擦學(xué)行為的研究很多，通過(guò)對(duì)各種研究的對(duì)比總結(jié)，可以看出與干摩擦條件下相比，材料在水潤(rùn)滑下的摩擦系數(shù)、磨損率的以及磨損機(jī)制都會(huì)發(fā)生較大的變化，摩擦系數(shù)、磨損率可能增大，也可能減小，并沒(méi)有一致的規(guī)律。這些變化與水的作用形式密切相關(guān)。水對(duì)材料的摩擦學(xué)行為主要有以下幾個(gè)方面的影響。

1.1 潤(rùn)滑作用

在水環(huán)境中，水的潤(rùn)滑作用可以分為邊界潤(rùn)滑作用與流體潤(rùn)滑作用兩類(lèi)。當(dāng)摩擦表面間形成足夠厚度的水膜時(shí)，摩擦副被有效隔離，此時(shí)處于流體潤(rùn)滑狀態(tài)；若摩擦表面間不能形成足夠厚度的水膜，摩擦副直接接觸的幾率明顯增高，此時(shí)則處于邊界潤(rùn)滑狀態(tài)。相對(duì)于潤(rùn)滑油，水的粘度很低，相應(yīng)的承載能力比油膜低很多，往往較難形成有效的流體潤(rùn)滑膜。

如圖1 所示，經(jīng)典的 Stribeck 曲線(xiàn)用摩擦系數(shù)與摩擦副隔離程度的變化關(guān)系來(lái)估計(jì)潤(rùn)滑狀態(tài)。Yuji Yamamoto[1]在研究中用摩擦副的隔離程度來(lái)估計(jì)水膜的潤(rùn)滑狀態(tài)。通過(guò)研究摩擦系數(shù)以及隔離程度隨軸承模數(shù)φ=ηN/p（η 為粘度，N 為旋轉(zhuǎn)速度，p 為接觸壓力）的變化，得到不同潤(rùn)滑模式所處的區(qū)域，如圖2 所示。在其研究條件下，當(dāng)φ大于 10-7時(shí)，系統(tǒng)處于流體潤(rùn)滑狀態(tài)；當(dāng)φ小于 10-8時(shí)，處于邊界潤(rùn)滑狀態(tài)；而當(dāng)φ處于 10-7和 10-8之間時(shí)，則處于流體潤(rùn)滑與邊界潤(rùn)滑的混合潤(rùn)滑狀態(tài)。φ越大，隔離度越大，摩擦系數(shù)越小。

圖1 Stribeck 曲線(xiàn)示意圖Fig. 1 Schematic illustrations of Stribeck curve

圖2 摩擦系數(shù)以及隔離程度隨軸承模數(shù)的變化[1]Fig. 2 plot of friction coefficient against bearingmodulus[1]

J. K. Lancaster[2]指出存在一個(gè)臨界磨痕直徑 dcrit=K（W/ηU）1/3（W 為壓力，η 為粘度，U 為速度），當(dāng)實(shí)際磨痕直徑大于dcrit時(shí)，系統(tǒng)處于流體潤(rùn)滑狀態(tài)；當(dāng)實(shí)際磨痕直徑小于dcrit時(shí)，則處于邊界潤(rùn)滑狀態(tài)。同時(shí)，表面越光滑，越易于發(fā)生流體潤(rùn)滑。

吸附水膜的邊界潤(rùn)滑作用常常使得水潤(rùn)滑下的摩擦系數(shù)低于干摩擦?xí)r的摩擦系數(shù)[4-8]，也能改善材料的磨損行為，使得磨損速率低于干摩擦?xí)r的磨損速率[4 - 5, 7]。

當(dāng)材料與水發(fā)生摩擦化學(xué)反應(yīng)時(shí)，將對(duì)摩擦表面起到化學(xué)拋光的作用，產(chǎn)生十分光滑的摩擦表面[8]。光滑的表面使得水的流體潤(rùn)滑行為易于進(jìn)行，從而降低了摩擦[8-9]，減少了磨損[9]。

1.2 腐蝕作用

水是一種腐蝕性介質(zhì)，常常會(huì)對(duì)處于其中的材料構(gòu)成腐蝕。當(dāng)材料在水環(huán)境中進(jìn)行摩擦行為時(shí)，材料更易于受到水的腐蝕，水與材料的表層更易于發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，這是由于摩擦對(duì)化學(xué)反應(yīng)具有活化作用。水與材料發(fā)生摩擦化學(xué)反應(yīng)，生成摩擦化學(xué)反應(yīng)層，反應(yīng)層的剪切強(qiáng)度往往低于本體的剪切強(qiáng)度，因而具有較好的邊界潤(rùn)滑作用。另一方面，剪切層經(jīng)過(guò)不斷剪切或者溶解，使得摩擦表面逐漸光滑，從而引發(fā)水的動(dòng)壓潤(rùn)滑作用。如 Guo 等[10]研究了硬質(zhì)合金與石墨配副后在水潤(rùn)滑條件下經(jīng)三階段飽和后獲得了超低的摩擦系數(shù)。反應(yīng)層的邊界潤(rùn)滑作用與水的流體潤(rùn)滑作用，使得材料的摩擦系數(shù)與干摩擦?xí)r相比大大降低[11-12]。

然而，由于反應(yīng)層易于剪切，而且往往易于溶解，因而常常加劇材料的磨損，如 Si3N4/45#鋼配副[10]，Si3N4在水中的磨損加劇，主要原因就是生成的 Si（OH）4溶解于水。而另一方面，這種反應(yīng)層又能夠阻止材料的直接接觸，提供了低的接觸壓力與摩擦，使得材料的磨損減輕[10-11,13]，如上述 Si3N4，SiC，BCN 的在水中的磨損速率均低于干摩擦?xí)r。作用效果取決于具體的摩擦副、運(yùn)行條件、摩擦方式等因素。

上述反應(yīng)生成的反應(yīng)層都具有優(yōu)良的邊界潤(rùn)滑作用，同時(shí)誘發(fā)了水的流體潤(rùn)滑作用，使得這些摩擦副的摩擦系數(shù)大大低于干摩擦?xí)r的摩擦系數(shù)。

1.3 塑化作用

材料在水環(huán)境中運(yùn)行時(shí)，吸附的水分子由材料表面擴(kuò)散進(jìn)入本體之中，產(chǎn)生了塑化作用。這種塑化作用具有 2 方面的效應(yīng)：一是降低了材料的強(qiáng)度、硬度和彈性模量；二是造成區(qū)域膨脹與應(yīng)力集中[1]。這種塑化作用對(duì)聚合物的影響十分明顯，對(duì)陶瓷也會(huì)產(chǎn)生一定的影響。塑化作用造成了材料強(qiáng)度與硬度的下降，因此降低了摩擦[1,3,13-15]，但卻增加了材料的磨損[1,14]。

圖3 PA6 在水中摩擦后的 SEm形貌[14]Fig. 3 Worn surface of PA6 after friction process lubricated by water[14]

圖3 為 PA6 在水中摩擦后的 SEm形貌，圖中 P 代表塑性變形區(qū)，箭頭代表滑動(dòng)方向。

此外，對(duì)于水環(huán)境下服役的復(fù)合材料而言，水浸潤(rùn)材料后會(huì)在一定程度上破壞增強(qiáng)相與基體的界面從而增大摩擦磨損[16]。因此，常常需要通過(guò)對(duì)增強(qiáng)相進(jìn)行表面處理以保持材料在水環(huán)境中相界面結(jié)合不被破壞[17 - 18]。

1.4 冷卻作用

由于水的比熱大，對(duì)于摩擦發(fā)熱的冷卻效果比油好。材料在干摩擦條件下運(yùn)行時(shí)，由于摩擦熱而導(dǎo)致了材料的軟化，甚至局部熔化，因而易于粘著，發(fā)生轉(zhuǎn)移。在水環(huán)境中，由于水的冷卻作用，使得材料的軟化與粘著被有效抑制，因此降低了材料的摩擦[3 - 4, 6, 11-12, 19-20]，減少了材料的磨損[3 - 4, 6, 11-12, 19]。

1.5 抑制轉(zhuǎn)移

在干摩擦條件下，磨屑在應(yīng)力作用下易于粘著在對(duì)偶表面形成一層轉(zhuǎn)移膜，而在水潤(rùn)滑條件下，這種轉(zhuǎn)移被明顯抑制。如圖4 所示,圖中展示了 PA6—粘土納米復(fù)合材料/不銹鋼摩擦副在空氣與水中運(yùn)行后不銹鋼的表面形貌[14]。水之所以會(huì)抑制轉(zhuǎn)移膜的形成，目前并沒(méi)有統(tǒng)一的觀點(diǎn)。一些研究者將這種作用歸因于水力作用加速裂縫的產(chǎn)生與生長(zhǎng)，使得磨屑無(wú)法形成致密的轉(zhuǎn)移膜[13]。而另一些研究者認(rèn)為這是由于水的冷卻作用抑制了磨屑在對(duì)偶表面的粘著[19]。

對(duì)于水抑制轉(zhuǎn)移的作用對(duì)材料摩擦磨損行為影響，也未形成統(tǒng)一的看法。許多研究者認(rèn)為轉(zhuǎn)移膜阻止了摩擦副的直接接觸，并且具有良好的邊界潤(rùn)滑作用，因此有利于改善材料的摩擦磨損行為。D.-E. Kim等[21]在 440C 不銹鋼表面制備了氧化石墨烯涂層，與干摩擦條件對(duì)比，水潤(rùn)滑下轉(zhuǎn)移膜的形成導(dǎo)致了更低的摩擦系數(shù)。J. K. Lancaster[2]在研究碳纖維增強(qiáng)的聚合物在水潤(rùn)滑下的摩擦磨損行為時(shí)發(fā)現(xiàn)：所有復(fù)合物在水潤(rùn)滑下的磨損均大于其在干摩擦下的磨損，他認(rèn)為這是由于水抑制了復(fù)合材料轉(zhuǎn)移膜的形成，使得摩擦副得以直接接觸。其他一些文獻(xiàn)也有類(lèi)似的報(bào)道[5,14]。

另外一些學(xué)者認(rèn)為，轉(zhuǎn)移對(duì)應(yīng)與材料的磨損，轉(zhuǎn)移的抑制，也就意味著磨損的抑制，因此在水潤(rùn)滑下材料的磨損速率常常低于干摩擦下的磨損速率[3-4,6,11,15,19]。Jun-hong Jia 等[19]在研究銅—石墨復(fù)合材料在水潤(rùn)滑下的摩擦學(xué)行為時(shí)認(rèn)為，復(fù)合物轉(zhuǎn)移的有效抑制是水潤(rùn)滑下復(fù)合物磨損下降的主要原因，是其在水環(huán)境中應(yīng)用的先決條件。

1.6 加速裂紋生長(zhǎng)

裂紋的產(chǎn)生與生長(zhǎng)，會(huì)造成材料的損失，而在水環(huán)境中，水會(huì)加速裂紋的生長(zhǎng)。水加速裂紋生長(zhǎng)的原因，主要有以下 2 種解釋?zhuān)?/p>

1）水的化學(xué)效應(yīng)。如在研究金屬點(diǎn)蝕時(shí)，水與氧氣、金屬等物質(zhì)反應(yīng)，產(chǎn)生的原子氫滲入材料內(nèi)部，導(dǎo)致了高應(yīng)力表面的脆化，從而產(chǎn)生了裂紋并進(jìn)一步生長(zhǎng)。

2）水力作用。水的流體靜壓產(chǎn)生楔作用，致使裂紋生長(zhǎng)。

水加速裂紋增長(zhǎng)的作用在陶瓷磨損時(shí)表現(xiàn)的尤其明顯。陶瓷材料在水環(huán)境下運(yùn)行時(shí)，裂紋增長(zhǎng)致使晶粒碎裂或者剝落。因此，水加速了裂紋的生長(zhǎng)，造成材料磨損的加劇[13,20]。

圖4 PA6—粘土納米復(fù)合材料在干摩擦與水潤(rùn)滑下的對(duì)摩面形貌[14]Fig. 4 Worn surfaces of nano-Clay/PA6 composites under dry and wet condition[14]

2 材料在溶液中的摩擦磨損行為

上文論述了水對(duì)材料摩擦學(xué)行為的基本影響，所采用的數(shù)據(jù)通常在蒸餾水潤(rùn)滑下得到。而在實(shí)際工況下，摩擦副往往在水溶液中進(jìn)行，如海水、Saline 溶液等。在溶液中，除了上述水的基本作用會(huì)對(duì)材料的摩擦磨損行為產(chǎn)生影響外，溶液本身的一些性質(zhì)如溶質(zhì)、腐蝕性、pH 值、電化學(xué)性質(zhì)等也會(huì)對(duì)材料的摩擦學(xué)行為產(chǎn)生重要的影響。

2.1 溶 質(zhì)

不同溶質(zhì)的溶液具有不同的性質(zhì)，對(duì)材料的摩擦學(xué)性能也會(huì)產(chǎn)生不同的影響。同一摩擦副在相同的壓力、速度條件下在不同的水環(huán)境中運(yùn)行時(shí)往往具有不同的摩擦磨損行為。Huang 等[22]研究發(fā)現(xiàn) Ti（C, N）/SiC 陶瓷配副在人工海水中較之在純水中展現(xiàn)出更好摩擦磨損性能，這是因?yàn)樵谀Σ聊p過(guò)程人工海水中的無(wú)機(jī)鹽離子有助于硅溶膠的生成。圖5 為 UHMWPE/Al2O3配副在不同潤(rùn)滑條件下的摩擦系數(shù)與磨損速率的比較，由于水的塑化作用與抑制材料轉(zhuǎn)移的作用，使得摩擦系數(shù)與 UHMWPE 的磨損速率均低于干摩擦?xí)r。同時(shí)由于在蒸餾水中，水的吸附最強(qiáng)，塑化作用最明顯，因而摩擦系數(shù)也最低；在血漿中，蛋白質(zhì)吸附于摩擦表面，抑制了水的滲入，塑化作用較弱，因而雖然其摩擦系數(shù)比蒸餾水中高，但磨損速率卻最低。在干摩擦、Saline 溶液、蒸餾水、血漿下 UHMWPE 的磨損機(jī)制分別為微粘著、磨料磨損、疲勞磨損及疲勞磨損[15]。

圖5 UHMWPE/Al2O3配副在不同潤(rùn)滑條件下的磨損速率與摩擦系數(shù)[15]Fig. 5 Wear rate and friction coefficient of UHMWPE slides against Al2O3 under different lubrication conditions[15]

Leon Sokoloff 等[23]在研究溶液中的離子對(duì)橡膠與玻璃摩擦的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，與蒸餾水潤(rùn)滑時(shí)的摩擦系數(shù)相比，所有單價(jià)氯鹽（Na+, K+, Li+, NH4+,（CH3）3NH+,（CH3）4N+）溶液都降低了摩擦系數(shù)；而雙價(jià)鹽（Ca2+, Ba2+,mg2+）和 La3+溶液卻使得摩擦系數(shù)升高；Fe3+和 Al3+的作用不規(guī)則，當(dāng)從參比 NaCl 溶液中進(jìn)入Fe3+和 Al3+溶液中時(shí)，摩擦系數(shù)略微升高，而當(dāng)摩擦副再在參比溶液中沖洗時(shí)，摩擦系數(shù)會(huì)極大地升高。對(duì)于這些不同作用的解釋是：?jiǎn)蝺r(jià)離子溶液由于形成的雙電層之間的相互排斥力而降低了摩擦系數(shù)；雙價(jià)離子由于摩擦表面上極性集團(tuán)的橋連作用而增大了摩擦系數(shù)；在用 NaCl 溶液沖洗 Fe3+和 Al3+時(shí)摩擦系數(shù)的大幅度升高是由于在沖洗溶液的較高 pH 值條件下吸附的三價(jià)離子發(fā)生水解在摩擦副之間形成了一層分子淤泥。

2.2 腐蝕性

通常，溶液的腐蝕性要比蒸餾水的腐蝕性強(qiáng)很多，因而對(duì)材料的摩擦磨損行為影響也更大。J. K. Lancaster[2]在研究碳纖維增強(qiáng)的聚合物在水潤(rùn)滑下的摩擦磨損行為時(shí)發(fā)現(xiàn)：當(dāng)用海水代替蒸餾水時(shí)，一些復(fù)合物如碳纖維增強(qiáng)的環(huán)氧樹(shù)脂在與 S80、工具鋼、低碳鋼等對(duì)磨時(shí)摩擦系數(shù)與磨損速率均降低，他認(rèn)為這是由于海水對(duì)金屬對(duì)磨面造成了腐蝕，使得碳纖維易于對(duì)其表面進(jìn)行打磨拋光，使其表面粗糙度下降，從而降低了對(duì)復(fù)合材料的破壞，使復(fù)合材料的磨損降低，系統(tǒng)的摩擦系數(shù)減小。圖6 展示了 304 奧氏體不銹鋼以及鍍于其上的 DLC 膜在不同水環(huán)境中的摩擦學(xué)行為。對(duì)于基體 304 不銹鋼，其在不同環(huán)境下摩擦系數(shù)的大小關(guān)系為：H2SO4＜ HCl ＜ HNO3＜ 蒸餾水，磨損速率的大小關(guān)系為蒸餾水 ＜ H2SO4＜ HCl ＜ HNO3，由此可見(jiàn)酸性溶液降低了摩擦，但卻增加了磨損。這主要是由于酸性溶液對(duì)不銹鋼的腐蝕造成的。而 DLC 膜在不同環(huán)境下的摩擦與磨損變化不大，這是由于其具有較好的耐腐蝕性[24]。

圖6 304 鋼在不同環(huán)境下的摩擦系數(shù)[24]Fig. 6 Friction coefficient of 304 stainless steel in different solutions[24]

已有的研究結(jié)果表明：腐蝕與磨損之間具有交互作用，即腐蝕促進(jìn)磨損，而磨損加速腐蝕[25]。王勇等[26]在研究 Ti6A14V 合金在 Saline 溶液中的微動(dòng)腐蝕特性時(shí)對(duì)腐蝕與磨損之間的交互作用作了詳細(xì)的研究。腐蝕磨損交互作用的數(shù)學(xué)模型可概括為：

式中：W總為腐蝕磨損總量（Saline 溶液中的磨損體積）；Wcorr為單純腐蝕量（靜態(tài)浸泡實(shí)驗(yàn)測(cè)得）；Wwear為單純磨損量（由于實(shí)驗(yàn)條件的限制，用空氣中的磨損量替代真空中的磨損量）；Wlubr介質(zhì)潤(rùn)滑作用量（采用空氣中的磨損體積減去蒸餾水中的磨損體積）；ΔW 為交互作用量。根據(jù)上式可算出交互作用量占腐蝕磨損總量的百分比（ΔW／W總×100%）由表1可見(jiàn)，當(dāng)位移小于 60 μm時(shí)，交互作用量占腐蝕磨損總量的小部分，機(jī)械磨損起主導(dǎo)作用；當(dāng)位移為 60 μm時(shí)，交互作用量占腐蝕磨損總量的絕大部分，交互作用非常顯著地加速了材料流失。

表1 交互作用量所占的百分比 （%）Tab. 1 The percentage of the interaction of corrosion loss and wear loss

2.3 pH 值

人們?cè)谘芯刻沾傻哪Σ聊p行為時(shí)發(fā)現(xiàn)，陶瓷材料如 ZrO2和 Al2O3的摩擦磨損行為與所在溶液的 pH值密切相關(guān)[27-29]。Oliveira 等[30]研究了 pH 值對(duì)氮化硅/氧化鋁摩擦性能的影響，研究發(fā)現(xiàn)該配副只在 pH 4～10范圍內(nèi)可以獲得超低的摩擦系數(shù)。Mitjan Kalin 等[29]研究了 ZrO2陶瓷的摩擦磨損行為與 pH 值的關(guān)系。圖7展示了 ZrO2的摩擦系數(shù)與磨損速率隨 pH 值的變化。在低磨損區(qū)（pH 0.9），ZrO2的溶解為主要的磨損機(jī)制，導(dǎo)致了光滑的摩擦表面、相對(duì)較低的摩擦系數(shù)與磨損速率；在高磨損區(qū)（pH 3.9～13），ZrO2的水熱相轉(zhuǎn)變?yōu)橹饕哪p機(jī)制，在摩擦熱與水的作用下ZrO2由四方相轉(zhuǎn)變?yōu)閱涡毕?，轉(zhuǎn)變過(guò)程伴隨著體積的增長(zhǎng)，產(chǎn)生了較大的內(nèi)部應(yīng)力，從而導(dǎo)致了本體。

圖7 ZrO2的摩擦系數(shù)與磨損速率隨 pH 值的變化[29]Fig. 7 Plot of friction coefficient and wear loss of ZrO2against the pH value of lubricants[29]

材料的破裂與磨屑層的形成，產(chǎn)生了十分粗糙的表面，導(dǎo)致了摩擦與磨損的增加。在研究中還發(fā)現(xiàn)溶液的電化學(xué)電位對(duì)材料的磨損具有重要的影響，無(wú)論是 ZrO2還是 Al2O3，其最大磨損均處于其等電位點(diǎn)，這是由于電化學(xué)電位改變了磨屑的聚集或者排斥的程度，改變了磨屑層的性質(zhì)[28-29]。

Zhang[31-32]報(bào)道了無(wú)機(jī)摩擦副 Si3N4和 SiO2經(jīng)過(guò)一段時(shí)間跑和后出現(xiàn)超低摩擦系數(shù)，其主要原因是酸性環(huán)境中摩擦副表面與水分子間的氫鍵作用形成了易于流動(dòng)的水化膜。

3 影響水環(huán)境下材料摩擦學(xué)行為的其他因素

除了上述因素以及壓力、速度等以外，材料在水環(huán)境中運(yùn)行時(shí)的摩擦學(xué)行為還受其他一些因素的影響。

3.1 對(duì)偶材料類(lèi)型的影響

Zhang 等[33]研究了 DLC 薄膜分別與 CoCrMo 和Al2O3對(duì)膜時(shí)的摩擦學(xué)性能，結(jié)果發(fā)現(xiàn)水潤(rùn)滑下 DLC能有效在 CoCrMo 成膜，從而獲得更低的磨損量。Wang等[34]研究了 TiCN 涂層分別與 SiC、Si3N4、Al2O3、440C 鋼球?qū)δr(shí)的摩擦磨損性能，研究表明其摩擦系數(shù)依次增大，而 Si3N4 和 440C 鋼球作為摩擦配副時(shí)磨損率較大，配副的性質(zhì)在很大程度上影響材料在水環(huán)境中的摩擦磨損性能。C. Zhu[35]與 O. Jacobs[36]等的研究表明：材料的磨損強(qiáng)烈依賴(lài)于對(duì)偶材料的類(lèi)型，水潤(rùn)滑的作用也隨著摩擦副的不同而不同。圖8 為 UHMWPE與不同材料配對(duì)時(shí)的磨損速率。

圖8 酸性水環(huán)境中無(wú)機(jī)摩擦副超低摩擦系數(shù)的形成機(jī)制[31]Fig. 8 Schematic illustration for the formationmechanismof ultralow friction coefficient of inorganic friction pairs in acid solution[31]

3.2 對(duì)偶材料表面性質(zhì)的影響

Lancaster[2]在其研究中認(rèn)為：對(duì)偶材料的表面性質(zhì)是決定碳纖維增強(qiáng)的聚合物在水潤(rùn)滑下的摩擦學(xué)行為的首要因素。對(duì)偶材料的表面性質(zhì)取決于所研究材料的研磨能力、對(duì)偶材料的表面硬度、起始時(shí)的表面粗糙度以及周?chē)后w的腐蝕性。

圖9 UHMWPE 與不同材料配對(duì)時(shí)的磨損速率[3]Fig. 9 Specific wear rate of UHMWPE slides against different friction pairs[3]

3.3 摩擦副的潤(rùn)濕能力

Ming Der Ger[37]在研究 Ni-P-PTFE 復(fù)合物在水潤(rùn)滑下的摩擦磨損行為時(shí)發(fā)現(xiàn)：水膜的厚度與摩擦副的潤(rùn)濕能力緊密相關(guān)。當(dāng)所用的銷(xiāo)、盤(pán)材料都為高憎水性，即 H-O/H-O 時(shí)，水膜被排斥出摩擦區(qū)域，導(dǎo)致了高的摩擦系數(shù)，增加了磨損；而當(dāng)高親水性與高憎水性的材料組成摩擦副時(shí)，即 H-I/H-O，將增加摩擦副之間的水膜厚度，并且使水膜在整個(gè)摩擦過(guò)程中都保存完好，因此降低了摩擦與磨損，如圖10 所示。

周峰等[38]總結(jié)了摩擦副表面潤(rùn)濕性對(duì)材料摩擦磨損性能的影響，指出 2 個(gè)固體摩擦副在水潤(rùn)滑介質(zhì)下對(duì)摩時(shí)，表面潤(rùn)濕性對(duì)表面潤(rùn)滑性能有決定性影響：超親水的表面可以導(dǎo)致低摩擦系數(shù)，當(dāng)表面潤(rùn)濕性變差，表面變得更疏水，進(jìn)而去水化之后，摩擦系數(shù)增加。

圖10 摩擦副的潤(rùn)濕能力對(duì)水膜厚度的影響[28]Fig. 10 The influence of wetting capacity of friction pairs on thickness of water films[28]

4 結(jié) 語(yǔ)

1）水環(huán)境對(duì)不同材料的摩擦磨損行為有不同的影響機(jī)制，其作用形式可以歸結(jié)為潤(rùn)滑作用、腐蝕作用、塑化作用、冷卻作用、抑制轉(zhuǎn)移和加速裂紋生長(zhǎng)。

2）在水溶液中，其溶質(zhì)、腐蝕性、pH 值等因素對(duì)材料的摩擦學(xué)性能也會(huì)產(chǎn)生不同的影響。

3）在水環(huán)境中，摩擦副對(duì)偶材料類(lèi)型、表面性質(zhì)及其表面潤(rùn)濕能力也對(duì)材料的摩擦和磨損行為有一定程度的影響。

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Lubricationmaterials under water condition

Bai Zhao-gao1, Zhang Hai-ying2, Niu Hong-lei2, Sun Ji-hong3, Liu Hao4, Wang Jian-zhang4
(1. Naval Armament Department, Xi'an 710077, China; 2. The 705 Research Institute of CSIC, Xi'an 710077, China; 3.military Representative Office of Navy in No.874 Factory, Houma 043002, China; 4. Lanzhou Institute of Chemical Physics, Lanzhou 730000, China)

The tribological properties of water-lubricatedmaterials are not only about their nature properties, they are about applied load, velocity, temperature.more importantly, the water condition plays significant roles on their tribological properties. In this paper, the influencemechanismof water condition on frictional and wear behaviors of water-lubricatedmaterials was analyzed.moreover, the influence of aqueous solution was further illustrated.

water lubrication；lubricationmaterials；friction；wear

TH 117.1

：A

1672 - 7619(2016)10 - 0007 - 07

10.3404/j.issn.1672-7619.2016.10.002

2016 - 05 - 07

白照高(1966 - )，男，高級(jí)工程師，主要從事魚(yú)雷總體技術(shù)研究。