石墨微膠囊改性超高分子量聚乙烯艦船水潤滑尾軸承復(fù)合材料的摩擦學(xué)性能

楊振祥， 郭智威， 袁成清

(1.武漢理工大學(xué) 船舶動(dòng)力工程技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 湖北 武漢 430063；2.國家水運(yùn)安全工程技術(shù)研究中心 可靠性工程研究所， 湖北 武漢 430063)

0 引言

水面艦艇、水下航行器等艦船的尾軸承多采用水潤滑的方式，能夠起到提升設(shè)備隱蔽性、節(jié)約能源、降低水域污染等作用[1]。然而，水的黏度比潤滑油低很多，在相同工況條件下，軸承內(nèi)形成的水潤滑膜厚度很小，承載能力相對(duì)于油潤滑膜嚴(yán)重下降，在艦船軸系低速運(yùn)行時(shí)，軸承內(nèi)難以形成穩(wěn)定的水潤滑膜，潤滑效果變差[2]。目前在各類軸承的研究領(lǐng)域中，具有自潤滑性能的材料成為當(dāng)下的熱點(diǎn)[3]。以橡膠[4-5]、超高分子量聚乙烯(UHMWPE)[6-7]、高密度聚乙烯(HDPE)[8-9]和聚氨酯(PU)[10-11]等材料為主的高分子聚合物，具有抗沖擊、耐腐蝕、制備方便等優(yōu)點(diǎn)[12]，廣泛應(yīng)用于水潤滑尾軸承材料領(lǐng)域。

為進(jìn)一步提高高分子聚合物材料的摩擦磨損性能，可采取向聚合物中填充二硫化鉬[13]、二硫化鎢[14]、石蠟[15]、聚乙烯蠟[16]等各類添加劑的方法進(jìn)行改性。然而，不同添加劑可能因環(huán)境條件的限制難以通過直接共混的方式達(dá)到理想的潤滑效果，為解決這一問題，自潤滑微膠囊技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生[17]。Li等[18]利用乳液聚合法制備了含潤滑油的聚苯乙烯與二氧化硅雜化殼微膠囊并應(yīng)用到環(huán)氧涂層中，結(jié)果表明，微膠囊在涂層中具有優(yōu)異的分散性和良好的減摩效果。Yang等[19]制備了脲醛樹脂(UF)包覆二硫化鉬的微膠囊，并將其填充到HDPE基體中，研究結(jié)果表明，將二硫化鉬微膠囊化能夠延遲二硫化鉬晶體在水潤滑條件下的氧化，從而提高二硫化鉬的潤滑效果。

石墨與二硫化鉬相似，具有穩(wěn)定的層狀六方晶體結(jié)構(gòu)，與層內(nèi)碳原子的結(jié)合力很強(qiáng)，而層與層之間的分子力較弱，受到剪切力后分子層容易滑動(dòng)形成潤滑膜[20]，因此廣泛用作固體潤滑劑。然而，粒徑小的石墨粉末容易產(chǎn)生團(tuán)聚現(xiàn)象[21-22]，嚴(yán)重影響石墨在聚合物中的分散性[23]。Snchez-Snchez等[24]研究發(fā)現(xiàn)，UHMWPE具有很高的黏度，通過注塑、吹塑等傳統(tǒng)的聚合物加工方法以熔融狀態(tài)混合填充石墨粉末時(shí)，很難實(shí)現(xiàn)石墨的有效分散。

為減小石墨團(tuán)聚效應(yīng)的負(fù)面影響，提高石墨在聚合物基體材料中的分散性，本文利用復(fù)乳液法制備以UF為壁材、石墨為芯材的微膠囊，通過熔融共混的方式填充到UHMWPE基體中，并設(shè)置石墨共混材料作為對(duì)照組，在不同低速重載工況下進(jìn)行摩擦磨損試驗(yàn)，以探索石墨微膠囊改性UHMWPE復(fù)合材料的摩擦學(xué)性能，為艦船水潤滑尾軸承減摩材料的設(shè)計(jì)及應(yīng)用提供試驗(yàn)依據(jù)。

1 摩擦試驗(yàn)及表征

1.1 材料制備

試驗(yàn)原料為：石墨粉，標(biāo)準(zhǔn)粒徑2 μm，上海麥克林生化科技有限公司生產(chǎn)；尿素、甲醛溶液(質(zhì)量分?jǐn)?shù)37%)、無水乙醇、三乙醇胺、十二烷基苯磺酸鈉(SDBS)、甲苯、氯化銨、間二苯酚，均為分析純，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司生產(chǎn)；司盤80乳化劑，分析純，上海源葉生物科技有限公司生產(chǎn)；蒸餾水，屈臣氏蒸餾水有限公司生產(chǎn)；UHMWPE，平均相對(duì)分子質(zhì)量170萬，中石油獨(dú)山子石化公司生產(chǎn)。

利用復(fù)乳液法制備壁材為UF、芯材為石墨的微膠囊，具體操作步驟如下：首先將2 g石墨芯材和2 g SDBS乳化劑加入到50 mL蒸餾水中，在1 000 r/min轉(zhuǎn)速下攪拌1 h形成分散均勻的乳液，經(jīng)過離心沉淀并加少量蒸餾水制備10 mL含有約1 g石墨和1 g SDBS混合物的懸濁液；其次將5 g尿素和13 g甲醛溶液混合均勻，加入2 g三乙醇胺調(diào)節(jié)pH值至9，在75 ℃水浴加熱條件下以400 r/min轉(zhuǎn)速攪拌1 h，制得UF預(yù)聚體；然后將2 g司盤80加入到250 mL甲苯中，以400 r/min轉(zhuǎn)速攪拌10 min得到第2重乳液；之后在攪拌過程中加入0.5 g氯化銨和0.5 g間二苯酚分別作為催化劑和交聯(lián)劑，并將懸濁液和UF預(yù)聚體緩慢加入到甲苯體系中，在75 ℃水浴加熱條件下攪拌4 h進(jìn)行聚合反應(yīng)；最后將反應(yīng)完畢的溶液放入離心機(jī)中離心，得到沉淀用無水乙醇洗滌之后，放入恒溫箱中以40 ℃干燥12 h，得到石墨微膠囊。

為了比較石墨微膠囊和石墨對(duì)UHMWPE基體的改性效果，設(shè)置對(duì)照試驗(yàn)，分別制備含有石墨微膠囊和石墨的復(fù)合材料，表1給出了5種復(fù)合材料的成分。根據(jù)表1中的配方，使用武漢啟恩科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的密煉機(jī)，將石墨或石墨微膠囊以熔融共混的方式填充到UHMWPE基體中，分別制備含有5%石墨(UHMWPE-G5)、10%石墨(UHMWPE-G10)、5%石墨微膠囊(UHMWPE-M5)、10%石墨微膠囊(UHMWPE-M10)的4種共混材料。密煉機(jī)內(nèi)的溫度設(shè)置為200 ℃，轉(zhuǎn)速設(shè)置為30 r/min，每次密煉的時(shí)間為30 min. 密煉完畢后，使用注射機(jī)(武漢啟恩科技發(fā)展有限公司生產(chǎn))分別將4種復(fù)合材料和純UHMWPE加工成試樣。

表1 不同復(fù)合材料的成分Tab.1 Components of different composites

1.2 摩擦試驗(yàn)

為模擬船舶尾軸的水潤滑軸承與銅合金襯套之間的摩擦磨損情況，采用QSn7-0.2錫青銅盤分別與石墨/UHMWPE復(fù)合材料和石墨微膠囊/UHMWPE復(fù)合材料對(duì)摩，錫青銅盤主要成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)如表2所示。圖1給出了摩擦副的形貌與尺寸。錫青銅盤的內(nèi)徑為16 mm，外徑為32 mm，高度為5 mm. 復(fù)合材料被注塑成圓環(huán)試樣，其內(nèi)徑為18 mm，外徑為30 mm，高度為10 mm. 摩擦副的接觸面積為452.39 mm2. 根據(jù)美國海軍水潤滑軸承標(biāo)準(zhǔn)MIL-DTL-17901C 中的測試要求，在進(jìn)行摩擦試驗(yàn)之前，用拋光紙將圓環(huán)試樣和錫青銅盤的摩擦表面拋光處理至表面粗糙度Ra為0.8 μm.

表2 QSn7-0.2錫青銅盤主要成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)Tab.2 Mass fraction of main element of QSn7-0.2 disc %

圖1 摩擦副及其尺寸Fig.1 Friction pairs and their sizes

使用武漢海馬科技開發(fā)有限公司生產(chǎn)的CBZ-1摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行摩擦學(xué)性能測試。如圖2所示(ω為轉(zhuǎn)速)，復(fù)合材料圓環(huán)試樣被固定在下方水槽中，并從下方施加載荷，錫青銅盤被固定在旋轉(zhuǎn)軸上隨之一起轉(zhuǎn)動(dòng)，與圓環(huán)試樣對(duì)摩。錫青銅盤和圓環(huán)試樣的摩擦表面浸沒在蒸餾水中，以模擬水潤滑條件。試驗(yàn)過程中利用傳感器采集實(shí)時(shí)的壓力、轉(zhuǎn)速、扭矩等參數(shù)，并利用計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)通過(1)式計(jì)算實(shí)時(shí)的摩擦系數(shù)μ：

(1)

式中：T為扭矩(N·m)；r為半徑(m)；F為載荷(N)。

圖2 CBZ-1摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)Fig.2 CBZ-1 tribo-tester

由于船舶水潤滑尾軸承的公稱壓力小于0.55 MPa[25]，并且在低速條件下難以形成穩(wěn)定有效的水潤滑膜，易造成磨損加劇，因此試驗(yàn)過程中對(duì)摩擦副施加0.6 MPa(等效作用力270 N)的固定載荷，并選擇150 r/min和250 r/min作為主機(jī)轉(zhuǎn)速，以便更直觀地比較水潤滑條件下不同復(fù)合材料在低速重載工況時(shí)的摩擦磨損性能。銅盤的等效半徑為12 mm，則主機(jī)轉(zhuǎn)速換算成線速度即為0.188 m/s和0.314 m/s. 每個(gè)試樣的摩擦試驗(yàn)過程持續(xù)2 h，在試驗(yàn)正式開始之前以50 r/min的轉(zhuǎn)速、0.6 MPa的載荷為工況條件進(jìn)行10 min的預(yù)磨，以完成試樣和銅盤之間的磨合，避免因磨合階段磨損過高而造成試驗(yàn)誤差。相同條件下的摩擦試驗(yàn)要重復(fù)兩次，以保證可重復(fù)性。為防止雜質(zhì)對(duì)試驗(yàn)產(chǎn)生影響，使用蒸餾水作為水潤滑介質(zhì)。

1.3 其他相關(guān)表征

摩擦試驗(yàn)開始前，使用裝有能譜儀(EDS)的掃描電子顯微鏡(SEM)觀察記錄石墨微膠囊的微觀形貌，使用美國英斯特朗公司生產(chǎn)的電子萬能材料試驗(yàn)機(jī)測試復(fù)合材料的拉伸性能，使用浙江樂清艾德堡儀器有限公司生產(chǎn)的邵氏硬度計(jì)測量復(fù)合材料的邵氏硬度。摩擦試驗(yàn)結(jié)束后，使用SEM觀察記錄試樣的磨損面形貌，分析復(fù)合材料的磨損機(jī)理，進(jìn)而分析石墨微膠囊的潤滑機(jī)理。分別在摩擦試驗(yàn)前后使用高精度電子天平測量經(jīng)烘干后的復(fù)合材料圓環(huán)試樣的質(zhì)量，以計(jì)算其磨損量。利用武漢華中科技大學(xué)生產(chǎn)的激光干涉表面輪廓儀觀察記錄對(duì)摩銅盤的磨損形貌，并計(jì)算出摩擦試驗(yàn)后錫青銅盤的表面均方根偏差Sq，即測量區(qū)域中各點(diǎn)高度的均方根，相當(dāng)于高度的標(biāo)準(zhǔn)偏差，其計(jì)算公式為

(2)

式中：M表示x軸方向的采樣點(diǎn)；N表示y軸方向的采樣點(diǎn)；Z(xk,yl)表示采樣點(diǎn)(xk,yl)的高度值；u為采樣區(qū)域的平均高度，

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 微膠囊特性分析

圖3給出了石墨微膠囊的SEM圖像以及微膠囊芯材和壁材取樣點(diǎn)的EDS圖。由圖3(a)可以看出，微膠囊呈現(xiàn)出規(guī)則的球形，粒徑約20～50 μm，并且存在少量的破裂現(xiàn)象。圖3(b)顯示了一個(gè)破裂的石墨微膠囊圖像，在微膠囊的芯材和壁材區(qū)域分別取樣，進(jìn)行EDS分析，得到如圖3(c)和圖3(d)所示的結(jié)果。由圖3(c)可知，芯材主要含有C元素，并混雜少量的Cl元素，說明芯材區(qū)域的主要成分是石墨。由圖3(d)可知，壁材主要含有C、N、O以及少量的Cl元素，說明壁材區(qū)域的主要成分是UF. Cl在芯材和壁材中都有少量殘留，這是由氯化銨反應(yīng)殘余的Cl元素而引起的。值得注意的是，EDS無法對(duì)H元素進(jìn)行探測，因此取樣點(diǎn)測得的元素質(zhì)量比相對(duì)于理論比例有一定的誤差。但是由于N元素絕大部分存在于壁材的UF中，少量存在于氯化銨的反應(yīng)殘余產(chǎn)物中，因此根據(jù)N元素的分布，可以確定石墨微膠囊具有芯材為石墨、壁材為UF的“核- 殼”結(jié)構(gòu)。

2.2 復(fù)合材料特性分析

復(fù)合材料的機(jī)械性能對(duì)水潤滑尾軸承的應(yīng)用有很大影響。表3顯示了不同復(fù)合材料的邵氏硬度和極限拉伸強(qiáng)度。石墨和石墨微膠囊填充到UHMWPE基體材料中后，復(fù)合材料的硬度比純UHMWPE試樣的更大，說明石墨的加入對(duì)復(fù)合材料硬度有提升的作用，并且填充濃度越高、提升效果越明顯。石墨微膠囊由于UF壁材的存在相對(duì)降低了石墨的含量，因此在相同的填充濃度下，微膠囊復(fù)合材料的硬度比石墨復(fù)合材料的略低。

UHMWPE-G5、UHMWPE-G10和UHMWPE-M5試樣相對(duì)于純UHMWPE試樣，極限拉伸強(qiáng)度都有所提升，且UHMWPE-M5試樣的最大，但UHMWPE-M10試樣的極限拉伸強(qiáng)度卻急劇下降。因此，填充適量的石墨或者石墨微膠囊能夠起到增韌效果，提拉伸強(qiáng)度下降，這一結(jié)果與Guo等[26]和Yuan等[27]的研究結(jié)果相似。為了比較不同復(fù)合材料中石墨或微膠囊在基體材料中的分散性，使用SEM觀察復(fù)合材料的斷面形貌，其結(jié)果如圖4所示。圖4(a)為純UHMWPE試樣的斷面SEM圖，斷面的形貌十分平整潔凈，而圖4(b)和圖4(c)所示UHMWPE-G5和UHMWPE-G10試樣的斷面則存在石墨微粒，石墨微粒的粒徑差別很大，分散也不均勻。由圖4(d)和圖4(e)可以看出，UHMWPE-M5和UHMWPE-M10試樣材料中，微膠囊在基體材料中的分布相對(duì)均勻，其粒徑大小也較為相近。由此可知，石墨由于團(tuán)聚效應(yīng)容易在基體材料中聚集成粒徑不等的顆粒，降低了在基體中的分散性，而石墨微膠囊粒徑較為相近，團(tuán)聚效應(yīng)降低，在基體材料中分散性更好。另一方面，由圖4(d)和圖4(e)也可以發(fā)現(xiàn)，微膠囊與基體材料相接觸的位置存在有一定的空隙，當(dāng)復(fù)合材料中微膠囊的含量升高時(shí)，空隙的數(shù)量也隨之增多，材料的機(jī)械性能會(huì)惡化，這是UHMWPE-M10試樣拉伸性能急劇降低的另一個(gè)原因。

圖3 微膠囊的SEM圖和能譜圖Fig.3 SEM and EDS images of microcapsules

高復(fù)合材料的拉伸性能。但是微膠囊含量過多時(shí)反而會(huì)降低復(fù)合材料的拉伸性能，其中一個(gè)原因是填充的微膠囊含量升高后，中空和破裂的微膠囊含量也隨之升高，降低了復(fù)合材料的承載能力，從而導(dǎo)致

表3 不同復(fù)合材料的機(jī)械性能Tab.3 Mechanical properties of different composites

2.3 摩擦系數(shù)分析

圖5為不同復(fù)合材料在不同工況下的摩擦系數(shù)變化情況，其中圖5(a)和圖5(c)分別顯示了載荷為0.6 MPa、轉(zhuǎn)速為150 r/min時(shí)不同復(fù)合材料在摩擦試驗(yàn)過程中的摩擦系數(shù)變化以及整個(gè)過程的平均摩擦系數(shù)，圖5(b)和圖5(d)分別顯示了載荷為0.6 MPa、轉(zhuǎn)速為250 r/min時(shí)復(fù)合材料的摩擦系數(shù)變化以及相應(yīng)的平均摩擦系數(shù)。

當(dāng)轉(zhuǎn)速為150 r/min時(shí)，UHMWPE、UHMWPE-G5、UHMWPE-G10和UHMWPE-M5試樣的摩擦系數(shù)隨著試驗(yàn)的進(jìn)行逐漸增大。UHMWPE試樣的摩擦系數(shù)從初期的0.12左右增大到最終的0.18左右，這是因?yàn)殡S著試驗(yàn)的進(jìn)行，UHMWPE試樣磨損加劇，試樣表面變得越來越粗糙，同時(shí)低速時(shí)的水潤滑效果較差，因此摩擦系數(shù)逐漸增大。同樣地， UHMWPE-G5、UHMWPE-G10和UHMWPE-M5試樣的摩擦系數(shù)也呈現(xiàn)出逐漸上升的趨勢，但是石墨或石墨微膠囊的加入提高了復(fù)合材料的自潤滑性能，石墨作為固體潤滑劑，能夠分布于摩擦副表面，降低了摩擦系數(shù)，因此這3種試樣的摩擦系數(shù)變化幅度較小，始終保持在0.15以下。而UHMWPE-M10試樣的摩擦系數(shù)變化趨勢較為平穩(wěn)，并且一直保持在0.10左右。當(dāng)轉(zhuǎn)速為250 r/min時(shí)， UHMWPE試樣的摩擦系數(shù)在試驗(yàn)過程中從0.12逐漸增大至0.14左右，而填充了石墨或石墨微膠囊的復(fù)合材料試樣摩擦系數(shù)則普遍比UHMWPE試樣的低。

圖4 不同復(fù)合材料的斷面SEM圖(放大500倍)Fig.4 SEM images of sections of different composites(500×)

圖5 不同復(fù)合材料在不同工況下的摩擦系數(shù)變化和平均摩擦系數(shù)Fig.5 Variation of friction coefficient and average friction coefficient of different composites under different working conditions

觀察摩擦系數(shù)曲線的變化趨勢也可發(fā)現(xiàn)， UHMWPE-G5和UHMWPE-G10試樣的摩擦系數(shù)變化波動(dòng)較大，而UHMWPE-M5和UHMWPE-M10試樣的摩擦系數(shù)在初期經(jīng)過微小的波動(dòng)之后便基本保持穩(wěn)定的趨勢。石墨的團(tuán)聚效應(yīng)使其在UHMWPE試樣基體中分散性較差，容易結(jié)塊成大的顆粒，粒徑差別很大，因此UHMWPE-G5和UHMWPE-G10試樣摩擦表面的石墨分布不均勻，影響了潤滑效果的穩(wěn)定性，造成摩擦系數(shù)波動(dòng)較大。而石墨微膠囊的粒徑相近，在UHMWPE試樣基體中分散性較好，微膠囊在試驗(yàn)過程中釋放出的石墨潤滑劑能夠在摩擦副表面較為均勻地分布。同時(shí)微膠囊的殼體對(duì)石墨有存儲(chǔ)和保護(hù)的作用，石墨在摩擦過程中逐漸釋放，削弱了團(tuán)聚效應(yīng)造成的不良影響，因此潤滑效果更好，摩擦系數(shù)的變化趨勢也更為穩(wěn)定。

由圖5(c)和圖5(d)可知，填充了石墨和石墨微膠囊的復(fù)合材料摩擦系數(shù)相對(duì)于純UHMWPE都有所降低，說明石墨和石墨微膠囊均起到了減摩的作用。經(jīng)計(jì)算可得，微膠囊復(fù)合材料UHMWPE-M5試樣在150 r/min和250 r/min工況下相對(duì)于UHMWPE試樣的摩擦系數(shù)減小率分別為23.61%和17.46%，而UHMWPE-M10試樣的摩擦系數(shù)減小率則分別為31.94%和27.78%. 對(duì)比圖5(c)和圖5(d)可以發(fā)現(xiàn)，同一種復(fù)合材料在250 r/min工況下的平均摩擦系數(shù)普遍比在150 r/min工況下要小。這是因?yàn)檗D(zhuǎn)速較低時(shí)形成的水潤滑膜效果很差，摩擦副處于邊界潤滑或混合潤滑狀態(tài)[28]。隨著轉(zhuǎn)速的提高，水在摩擦副之間的楔形間隙內(nèi)形成流體動(dòng)壓效應(yīng)，在水膜中產(chǎn)生壓力，當(dāng)壓力與載荷平衡時(shí)，便形成穩(wěn)定的水潤滑膜[29]。此潤滑膜產(chǎn)生的壓力將兩接觸表面分開，從而減小摩擦系數(shù)。另一方面，水的流動(dòng)加劇使得摩擦產(chǎn)生的磨屑更易被水流沖走，減小了磨屑的殘留對(duì)摩擦系數(shù)的影響。

綜上所述可知，向UHMWPE試樣基體材料中加入石墨或者石墨微膠囊，都可以提高復(fù)合材料的自潤滑性能，石墨在摩擦副表面形成潤滑膜，減小了摩擦系數(shù)。而石墨微膠囊在UHMWPE試樣基體中分散性比石墨更好，提高了石墨潤滑劑在摩擦副表面分布的均勻性，因此微膠囊復(fù)合材料的摩擦系數(shù)更為穩(wěn)定。

2.4 磨損性能分析

圖6 摩擦副的磨損性能Fig.6 Wear properties of friction pairs

圖6給出了摩擦副的磨損性能。圖6(a)為不同復(fù)合材料圓環(huán)試樣在不同工況下的磨損量，從中可以看出，兩種轉(zhuǎn)速條件下磨損量的變化趨勢相似。純UHMWPE試樣磨損最嚴(yán)重，加入石墨或石墨微膠囊后復(fù)合材料的磨損程度都有所降低，其中UHMWPE-M5試樣的磨損量最小，而UHMWPE-M10試樣的磨損量比UHMWPE-G5、UHMWPE-G10和UHMWPE-M5試樣相比有所升高。圖6(b)為錫青銅盤磨損面Sq值，其中Disc-0、Disc-G5、Disc-G10、Disc-M5、Disc-M10分別表示與復(fù)合材料UHMWPE、UHMWPE-G5、UHMWPE-G10、UHMWPE-M5、UHMWPE-M10試樣對(duì)摩的錫青銅盤。兩種轉(zhuǎn)速下Disc-G5、Disc-G10、Disc-M5、Disc-M10的Sq值都比Disc-0的小，說明填充了石墨或石墨微膠囊的復(fù)合材料磨損性能提高，造成對(duì)摩銅盤的磨損面的表面粗糙度下降，且Disc-M5的Sq值最低。但是Disc-M10的Sq值與Disc-G5、Disc-G10、Disc-M5相比有所提高。表4顯示了不同工況下錫青銅盤磨損面的表面輪廓圖，從中可以看出錫青銅盤的表面都有不同程度的磨痕，其中Disc-M5的磨損面形貌更為平整。綜上所述可知，UHMWPE-M5試樣具有更加優(yōu)異的磨損性能。

表4 錫青銅盤磨損面的表面輪廓

為分析石墨微膠囊復(fù)合材料的磨損機(jī)理，使用SEM觀察記錄復(fù)合材料磨損面的形貌，其中測量的復(fù)合材料為250 r/min工況下磨損后的圓環(huán)試樣，結(jié)果如圖7所示。由圖7可以看出，UHMWPE試樣的磨損表面磨痕很少，材料表面產(chǎn)生變形和損失，這是因?yàn)閁HMWPE試樣的硬度比銅盤小，容易在摩擦副之間的黏著效應(yīng)作用下產(chǎn)生微小變形，同時(shí)在循環(huán)的接觸應(yīng)力不斷影響下UHMWPE試樣表面逐漸被磨損，因此主要磨損形式是黏著磨損。向UHMWPE基體中填充石墨之后，復(fù)合材料的硬度得到提升，石墨團(tuán)聚效應(yīng)產(chǎn)生的顆粒以及磨損產(chǎn)生的磨屑在摩擦副之間來回運(yùn)動(dòng)，使復(fù)合材料表面產(chǎn)生磨粒磨損的現(xiàn)象，圖7(b)和圖7(c)中UHMWPE-G5和UHMWPE-G10試樣表面的劃痕和犁溝證實(shí)了這一點(diǎn)。然而UHMWPE-G10試樣表面的磨痕比UHMWPE-G5試樣的少，這是因?yàn)樵黾邮奶畛錆舛群髲?fù)合材料的潤滑性能得到提升，減輕了磨損面的磨粒磨損，阻止了磨痕的進(jìn)一步擴(kuò)大。圖7(d)顯示，UHMWPE-M5試樣的磨損面有一些相對(duì)輕微的磨痕和撕裂，磨損形貌相對(duì)平整，并可以清楚地看到有少量磨粒黏著在磨損面上，磨損形式以黏著磨損和磨粒磨損為主，且磨粒磨損比相同條件下的石墨復(fù)合材料減輕很多，因此UHMWPE-M5試樣的磨損性能更好。然而，UHMWPE-M10試樣的磨損面上材料的變形和損失加劇，磨損面變得更加粗糙，并且分布著包括磨屑、石墨和破裂的微膠囊在內(nèi)的粒徑較大的顆粒，這些顆粒的存在加劇了UHMWPE-M10試樣的磨損，使磨損表面變得更加粗糙。分析其中原因，UHMWPE-M10試樣拉伸性能的嚴(yán)重下降使其在循環(huán)的接觸應(yīng)力作用下更易在表面產(chǎn)生變形、剝落，黏著磨損加劇，產(chǎn)生的磨屑分布在磨損面上，進(jìn)一步加劇了磨粒磨損。由此可知，填充10%石墨微膠囊的復(fù)合材料雖然在試驗(yàn)條件下的摩擦系數(shù)最小，但其拉伸性能和磨損性能嚴(yán)重降低，限制了作為水潤滑尾軸承材料的應(yīng)用。綜上所述可知，試驗(yàn)條件下含5%石墨微膠囊的復(fù)合材料摩擦學(xué)性能更好。

圖7 不同復(fù)合材料的磨損面SEM圖(放大500倍)Fig.7 SEM images of wear surfaces of different composites(500×)

2.5 石墨微膠囊潤滑機(jī)理分析

使用SEM觀察摩擦試驗(yàn)完成后復(fù)合材料試樣中微膠囊的微觀形貌，可以推斷出石墨微膠囊的潤滑機(jī)理。圖8給出了石墨微膠囊的潤滑機(jī)理。石墨微膠囊被完整地鑲嵌在UHMWPE試樣基體中，呈現(xiàn)出規(guī)則的球狀。在復(fù)合材料與銅盤的摩擦過程中，微膠囊的壁材UF逐漸而被磨破，芯材石墨便通過破裂的殼體釋放出來，并逐漸分布到摩擦副表面，形成石墨潤滑膜，從而起到了潤滑的作用，減小了復(fù)合材料的摩擦系數(shù)。同時(shí)，微膠囊破裂后釋放出的石墨也可以填補(bǔ)在磨損產(chǎn)生的溝槽、磨痕中，起到了修復(fù)和潤滑的作用，防止磨痕進(jìn)一步加深，從而改善了磨損面的形貌。

圖8 石墨微膠囊的潤滑過程(放大3 000倍)Fig.8 Lubrication process of graphite-containing microcapsules(3 000×)

另一方面，石墨微膠囊存在一定程度上的空包和破裂現(xiàn)象，微膠囊填充濃度過高時(shí)，復(fù)合材料的拉伸性能反而會(huì)下降，摩擦過程中復(fù)合材料更易發(fā)生黏著磨損。磨損過程中產(chǎn)生的磨屑、微膠囊和石墨等顆粒會(huì)布滿摩擦副表面，這些顆粒也會(huì)使復(fù)合材料的磨粒磨損加劇，磨損面形貌隨之惡化。因此，對(duì)基體材料應(yīng)用石墨微膠囊時(shí)應(yīng)注意把握合適的填充濃度。

3 結(jié)論

本文通過復(fù)乳液法制備了以石墨為芯材、UF為壁材的微膠囊，并填充到UHMWPE基體中，對(duì)固定載荷(0.6 MPa)和不同轉(zhuǎn)速(150 r/min、250 r/min)工況下微膠囊復(fù)合材料的摩擦學(xué)性能進(jìn)行了研究，分析了微膠囊的特性和復(fù)合材料的摩擦系數(shù)、磨損性能及潤滑機(jī)理。得到以下主要結(jié)論：

1) 石墨微膠囊在UHMWPE基體材料中分散性良好，能夠降低材料的摩擦系數(shù)，并且能使微膠囊復(fù)合材料的摩擦系數(shù)變化情況相對(duì)于石墨復(fù)合材料更為穩(wěn)定。

2) 向UHMWPE基體中填充適量的石墨微膠囊能夠改善材料的磨損情況，但是過量的微膠囊反而會(huì)使磨損性能變差；試驗(yàn)條件下含5%微膠囊的復(fù)合材料磨損性能最好。

3) 石墨微膠囊在摩擦過程中，通過磨損后的微膠囊殼向外釋放石墨芯材，在摩擦副表面形成石墨潤滑膜，從而起到減摩潤滑的作用。

4) 結(jié)合水潤滑尾軸承的機(jī)械性能要求，UHMWPE-M5最符合實(shí)際工程應(yīng)用的要求，具有較低的摩擦系數(shù)、較好的耐磨性和優(yōu)良的機(jī)械性能。