納米填料增強UHMWPE–橡膠水潤滑摩擦學性能

楊東亞，田 松，任俊芬，王宏剛，高 貴,，陳生圣，李偉濤

當今，對海洋環(huán)境日益關注，排放法規(guī)越發(fā)嚴格，必須盡量減少有害物質的排放，而油作為船舶軸承的潤滑介質，一旦泄露，會造成污染影響海洋生態(tài)[1–4]。因此，水潤滑軸承因其結構簡單，環(huán)境適應性好，運行成本低且抗噪聲和抗沖擊性好等特點，發(fā)展?jié)摿薮骩5]。但是，水潤滑軸承在低速、重載及啟停時，常會出現黏–滑現象，引起摩擦波動與摩擦噪聲，導致壽命降低、噪聲增大，對艦艇的安全性和隱蔽性造成隱患[6]。此外，由于水膜的承載力較低，導致水潤滑軸承常處于混合潤滑甚至邊界潤滑狀態(tài)，摩擦磨損加劇[4]。要解決上述難題，研制水潤滑性更好的軸承材料很關鍵。

近些年，越來越多的橡膠–塑料復合材料被嘗試用于水潤滑軸承，其性能表現優(yōu)異，抗振動性好，抗沖擊性強，低噪聲且不會污染水環(huán)境。但缺點也很明顯：承載能力低，設計比壓低[2,4]，在啟動、停機或低速運轉等工況下會產生黏–滑現象，主要表現在摩擦振動異常和摩擦噪聲過大，對艦船的軸承壽命和安全性帶來隱患。相比其他非金屬材料，超高分子量聚乙烯（ultra-high molecular weight polyethylene，UHMWPE）具有很好的耐摩擦性能、抗沖擊性能、抗老化性能和耐低溫性能[7]。但由于其分子量太高，導致其熔體黏度高，流動性差，加工困難，與基體間界面結合強度低[8–9]。而聚四氟乙烯（PTFE）因為優(yōu)異的潤滑性能、化學穩(wěn)定性、耐腐蝕性、密封性和良好的抗老化性，在水潤滑復合材料中被廣泛使用[10]。目前，用PTFE改性UHMWPE雖然在一定程度上改善了其摩擦系數，但工作時PTFE易從UHMWPE基體上脫落[11]，且受載時會產生蠕變，引起硬度變化，進而影響復合材料性能[12–15]。納米碳化硅（Nano–SiC）具有較好的硬度、耐高溫性、耐磨性和耐腐蝕性等特點，是一種性能優(yōu)異的新型改性材料。在高分子聚合物間加入微量納米碳化硅可有效提升其摩擦性能和力學性能[16–20]，但針對納米材料改性艦艇傳動系統(tǒng)水潤滑材料摩擦磨損性能的研究鮮見。

作者針對PTFE填充UHMWPE–橡膠材料水潤滑軸承工作時存在的黏–滑現象、低承載力、高磨損率等問題，進一步采用Nano–SiC對其改性，研究不同組分改性復合材料在不同載荷和速度下的摩擦磨損性能及對應的表面形貌變化規(guī)律，旨在探究Nano–SiC在水潤滑條件下對UHMWPE–橡膠復合材料摩擦磨損特性的影響，為艦艇傳動系統(tǒng)水潤滑軸承的優(yōu)化改進提供試驗依據和理論指導。

1 試驗部分

1.1 原料

超高分子量聚乙烯（UHMWPE）：牌號GUR–4150，平均粒徑120 μm。全硫化羧基丁腈橡膠：牌號VP501，平均粒徑為30～50 μm；聚四氟乙烯（PTFE）：牌號為XPP538，平均粒徑為25 μm，蘇威公司；Nano–SiC：平均粒徑為50 nm，合肥開爾納能源科技股份有限公司。

1.2 試樣制備

將超高分子量聚乙烯與丁腈橡膠、聚四氟乙烯、納米碳化硅按比例高速分散10 min，然后于Brabender混煉機中以177 ℃混煉30 min，取出樣塊在6 MPa、185 ℃條件下熱壓2 h成型，并加工成19 mm×12 mm×12 mm大小的試驗試塊。試驗按表1共制備4種不同比例復合材料進行對比。

表1 試樣配比Tab. 1 Sample formula%

1.3 材料性能測試與分析

1.3.1 硬度測試

根據GB/T531.1—2008標準采用XHS–D型邵氏硬度計對試驗樣品進行硬度測量并對比。

1.3.2 摩擦磨損性能測試

在濟南益華MRH–3型環(huán)–塊摩擦磨損試驗機上對設計的材料進行水潤滑摩擦磨損試驗，采用的對偶環(huán)材質為GCr15，表面粗糙度為0.1 μm左右。試驗條件為水潤滑、室溫環(huán)境，試驗施加的載荷通過MIl–B–17901標準計算得出分別為33、66、132與200 N。試驗變速條件同樣對標MIl–B–17901，該標準的軸直徑為17.145 cm（6.75英寸），結合標準和實際工況，將轉速設置為8、17、35、70、105、140、210、348、870和1 394 r/min，對應的線速度為20、44、90、180、270、360、541、896、2 240、3 589 mm/s，每5 min增速一次，試驗時間50 min。最后，增加1組轉速2 r/min，對應線速度為5 mm/s作為黏–滑現象對比條件。試驗前使用酒精棉球擦洗試樣與對偶鋼環(huán)，試驗后將試樣放入100 ℃烘箱放置24 h后取出，再使用0.1 mg精度的電子分析天平對試塊進行稱重。摩擦系數由試驗機自帶軟件進行采集，復合材料的體積磨損率由式（1）計算[13]：

式中，K為試樣的體積磨損率，?m為試樣在摩擦磨損試驗前后的質量差，ρ為試樣密度，N為試驗加載載荷，L為最終摩擦距離。每組樣品重復3次試驗，摩擦系數和質量差取其平均值。

1.3.3 表面形貌分析

試驗樣塊磨損面噴金后采用JSM–6380LV掃描電子顯微鏡（SEM）對表面形貌進行分析表征；采用Microxam–800非接觸式光學輪廓儀對比分析其磨損后3維形貌。

2 結果與討論

2.1 Nano–SiC和PTFE對復合材料硬度的影響

圖1為復合材料的硬度隨Nano–SiC含量的改變而變化的趨勢。

圖1 Nano–SiC和PTFE對復合材料硬度的影響Fig. 1 Effect of Nano–SiC and PTFE on the hardness of the composites

從圖1可知：UHMWPE–橡膠材料A的硬度為59；B為材料加入10%PTFE后，復合材料硬度略有降低；當加入Nano–SiC后，復合材料的硬度有明顯提升。隨著納米粒子含量增多，復合材料的硬度呈單調增大趨勢，加入的納米粒子均勻嵌入UHMWPE基體材料中橡膠與PTFE顆?？障堕g，使材料的整體性提高，性能得到優(yōu)化，從而復合材料的硬度有明顯提高，這與前人結論一致[14]。

2.2 水潤滑條件下Nano–SiC對復合材料摩擦磨損性能的影響

2.2.1 不同速度下UHMWPE復合材料的黏–滑現象

圖2顯示了在不同速度水潤滑條件下的D組試塊與GCr15環(huán)之間的摩擦系數μ波動，進而表明了黏–滑現象的變化。5.15 mm/s速度下的摩擦系數如圖2（a）所示，可以看出波動比較明顯且幅度穩(wěn)定。圖2（b）為不同材料在37 s內摩擦系數的具體情況。一般來說，隨著轉動時間的增加，摩擦系數呈鋸齒狀波動，復合材料表面微凸體與對偶環(huán)在壓力作用下逐漸冷焊并黏著；在黏著過程中，由于對偶環(huán)轉動，摩擦系數逐漸增大（圖2（b）中黏著過程）；當摩擦力增大到足夠破壞黏著點時，復合材料與對偶表面微凸體的黏著消失，摩擦系數急速下降到最低點（圖2（b）中滑動過程）；此時對偶環(huán)繼續(xù)轉動，環(huán)的另一部分與試樣微凸體繼續(xù)接觸并發(fā)生黏著，摩擦系數再次增大并再次被破壞，往復如此。這種現象被稱為材料的黏–滑現象。通過圖2（b）還可以看出，不添加PTFE和Nano–SiC的材料的波動幅度最劇烈，黏–滑周期Ta更長；在加入10%PTFE后，黏–滑周期Tb縮短，波動幅度減小，黏–滑現象減弱；在加入Nano–SiC之后，摩擦系數的幅度和周期Td均減小。此外，試驗速度對黏–滑現象有顯著影響，在最低速（5.15 mm/s）時，其波動幅度最大為0.024，波動周期最長為4 s；隨著速度的增加，摩擦系數的波動幅度和波動周期逐漸減小，如圖2（c）～（g）所示，當速度逐漸增加到270.36 mm/s時，波動幅度和波動周期均單調遞減。由圖2（b）和（g）可以看出，在相同速度條件下，隨著Nano–SiC含量的增加，試樣的摩擦波動逐漸平緩。在速度達到360 mm/s和541 mm/s（圖2（h）和（i））時，摩擦系數波動趨于平穩(wěn)，不再出現異常波動和噪聲，此時可以確定黏–滑現象已消失。

圖2 水潤滑條件下復合材料與GCr15環(huán)之間的摩擦黏–滑現象Fig. 2 Stick–slip phenomenon between UHMWPE and GCr15 rings under water lubrication

2.2.2 復合材料動、靜摩擦系數差值對黏–滑現象的影響

由于軸承的起動過程中通常會產生黏–滑現象，而靜摩擦系數通常大于動摩擦系數。圖3顯示了在水潤滑條件下不同載荷時試塊與GCr15環(huán)之間的靜摩擦系數。靜摩擦系數采集時先用手輕微帶動環(huán)–塊摩擦磨損試驗機，在其有輕微轉動之前記錄摩擦力，再設置摩擦磨損試驗機轉速為1 r/min。采集啟動時記錄摩擦系數，每組試驗在相同的條件下各重復3次，記錄其摩擦系數取其平均值。

從圖3（a）可以看出，隨著載荷從33 N增大到250 N，不同組分的復合材料的靜摩擦系數均逐漸減小，最后趨于穩(wěn)定；并且隨著Nano–SiC含量的增多，對應復合材料的靜摩擦系數變化幅度也降低。從圖3（b）可以看出，Nano–SiC改性復合材料具有較小的摩擦系數波動幅度，靜摩擦系數與動摩擦系數差值也較小。一般而言，摩擦力變化劇烈波動對摩擦噪聲的產生起著非常重要的作用，摩擦力差值越大，摩擦噪聲就越大。因此，Nano–SiC改性復合材料D相比UHMWPE–橡膠材料A來說，黏–滑現象減輕。由圖2和3數據可以看出，隨著速度、Nano–SiC含量的增加，黏–滑現象逐漸減弱，摩擦波動歸于平穩(wěn)。

圖3 4組UHMWPE復合材料不同載荷下的摩擦系數Fig. 3 Friction coefficient of four groups of polymers under different loads

2.2.3 不同載荷對UHMWPE復合材料摩擦系數的影響

圖4顯示了4種UHMWPE復合材料A、B、C和D在水潤滑條件下，分別在33、66、132和200 N的載荷下摩擦系數變化規(guī)律。

圖4 不同載荷下UHMWPE復合材料摩擦系數Fig. 4 Friction coefficient of UHMWPE composites under different loads

從圖4可見：4種復合材料的摩擦系數均隨速度的增加先升后降直至逐漸穩(wěn)定，但不同載荷對應的摩擦系數變化區(qū)間明顯不同；隨著載荷逐漸增大，4種復合材料的摩擦系數均有不同程度的降低。在4種載荷下，UHMWPE–橡膠材料（復合材料A）的摩擦系數曲線均最高，在加入PTFE后，復合材料B的摩擦系數有一定程度降低，再加入0.5%Nano–SiC后，復合材料C的摩擦系數繼續(xù)降低，而當Nano–SiC含量增加到5%時，復合材料D的摩擦系數達到最低。摩擦系數的變化與材料表面撕裂脫落情況都會隨著載荷的增大表現出相同的變化趨勢，即水潤滑軸承材料在一定范圍內，隨著載荷的增加，耐磨損性能逐漸增強[20]。此外，在水潤滑條件下UHMWPE復合材料開始處于邊界潤滑階段并伴隨黏–滑現象，摩擦系數逐漸增大。隨著速度的提升，黏–滑現象減弱，邊界潤滑逐漸變?yōu)榛旌蠞櫥?，試樣表面出現磨損凹坑，更多的水進入磨損表面，最終形成流體潤滑，摩擦系數隨之降低并逐漸趨于穩(wěn)定。這可能是因為復合材料加入納米材料后，Nano–SiC在水介質中產生摩擦化學反應生成SiO2[19,21]，生成的SiO2凝膠在摩擦過程中受力剪切變形，在摩擦表面生成較為致密的薄膜，從而降低了摩擦系數。

2.2.4 不同載荷對UHMWPE復合材料磨損率的影響

圖5給出了4種UHMWPE復合材料在33、66、132、200 N載荷下的體積磨損率變化規(guī)律，體積磨損率按照式（1）計算得出。

圖5 不同載荷下UHMWPE復合材料磨損率Fig. 5 Wear rate of UHMWPE composites under different loads

由圖5可知：隨著載荷的增大，4種復合材料的體積磨損率均出現不同程度的減小。這是因為在摩擦行為剛開始時，隨著載荷的增加，復合材料表面的黏著–滑動過程更為劇烈，產生的摩擦熱增加，使表面溫度升高，初期的高溫高載條件使得復合材料表面的磨損表面軟化，其抗剪切性和抗蠕變性下降，耐磨性被削弱，導致材料的磨損量少許增加[14,22–23]，但是，根據式（1）計算可知增加的磨損量遠低于載荷增大的程度，從而得出體積磨損率隨著載荷的增大而減小。隨著Nano–SiC含量增加，復合材料的磨損率呈現下降趨勢，其中D組試樣的磨損率最低，明顯看出加入Nano–SiC明顯提高了復合材料的耐磨性，能夠承受更高的載荷。最主要的原因是硬質納米顆粒在復合材料中起到一定的支撐作用，提高了復合材料的抗剪切和抗蠕變能力[15]；第二個原因可能是Nano–SiC在水環(huán)境下與水發(fā)生反應形成SiO2，而SiO2凝膠可有效縮短復合材料的磨合期，增強了材料顆粒的物理黏附能力，顯著提高了復合材料的耐磨性[19]。

2.3 摩擦表面形貌分析

圖6顯示了4種復合材料在摩擦磨損試驗后的表面形貌。在固定載荷66 N水潤滑條件下，復合材料A的表面存在顯著磨損現象，如圖6（a）所示，復合材料A的表面存在一些球形凹坑或凸起，這是由于UHMWPE材料耐熱性差，與丁腈橡膠VP501結合程度低，磨損表面在摩擦溫升下變得軟化[19]，此時基體材料與填料之間的穩(wěn)固性會下降，從而導致摩擦過程中VP501橡膠脫落形成大小起伏的球形凹坑或凸起，在水環(huán)境下磨損時產生的磨屑被對偶環(huán)上的水帶走[24–25]。

圖6 不同UHMWPE復合材料的SEM表面形貌分析Fig. 6 SEM surface morphology analysis of different UHMWPE composites

較之于圖6（a），由于加入PTFE后復合材料耐高溫性增加，VP501橡膠不再出現脫落情況。在其磨損面上顯示大片狀磨屑被撕扯現象，這是由于材料表面雖然經過數道工序打磨，表面觀察已變光滑，但在微觀上仍然是凹凸不平的；當材料表面與對偶環(huán)接觸時，只有兩個表面的凸起部分實際接觸，兩接觸面的接觸部分在壓力下逐漸產生黏著。隨著對偶環(huán)轉動，黏著點被外力剪斷，此時材料表面的下一凸起部分與對偶環(huán)繼續(xù)發(fā)生黏著并剪斷，往復黏著–斷裂–黏著的過程使得復合材料一直處于黏著磨損狀態(tài)，這種狀態(tài)下的磨損表面易產生大片磨屑的撕裂，并被由對偶環(huán)轉動帶來的水沖掉，在材料表面留下磨屑痕跡，見圖6（b），大片磨屑在黏著磨損狀態(tài)下被撕裂，即將脫落的場景。

隨著Nano–SiC的加入，復合材料的硬度、抗磨損性能、承載能力、抗蠕變性能和抗剪切性能提升，黏著作用減弱，降低了磨屑的剝落。如圖6（c）所示，加入0.5%Nano–SiC后材料表面的磨屑痕跡變少而且更小，磨損表面逐漸變得平整。隨著Nano–SiC含量的增加，如圖6（d）所示，更多的納米粒子與粗糙表面微觀粗糙峰作用更有利于形成機械互鎖，進而降低材料的磨損率[20]。磨損表面變得更加平整均勻，僅在部分表面出現小型凹坑。再與復合材料A表面形貌進行對比，可見摩擦表面更光滑，此結論與圖4、5所示的摩擦系數與磨損率對比結論相吻合。并且由于納米粒子填充后，在宏觀層面由物理測試得知其硬度增強，使得材料結構更加致密；再通過微觀表征可以發(fā)現納米粒子填充在一定程度上增強了材料分子間作用力，優(yōu)化了摩擦過程，因此達到減輕黏–滑現象的作用，與前文黏–滑現象試驗結論相呼應。

圖7為4種復合材料在Microxam–800非接觸式光學輪廓儀下的3維形貌。

圖7 不同UHMWPE復合材料的3維表面Fig. 7 Three-dimensional surface of different UHMWPE composites

由圖7可以看出：復合材料A的3維表面雜亂不平，與圖6結果一致。隨著PTFE的加入，磨痕形狀出現好轉。隨著Nano–SiC含量的增加，磨損深度與磨痕寬度都出現不同程度的減小，與試驗結論一致。

3 結 論

1）復合材料的硬度隨著Nano–SiC含量的增加而提升，其承載能力隨之增強，對應摩擦副的犁削現象減小，從而摩擦系數降低，耐磨性提高。

2）速度對UHMWPE材料的黏–滑現象影響很大，復合材料的黏–滑現象隨著速度的增加而減輕直至逐漸消失。填充5%Nano–SiC粒子的復合材料在高速運行的對偶面上摩擦學性能最佳，在相同工況下其摩擦系數波動幅度和周期均大幅度降低，動、靜摩擦系數的差值減小，軸承摩擦波動降低，黏–滑現象減弱。

3）工況載荷對復合材料的影響較大。改性復合材料的摩擦系數與磨損率隨著載荷的增大而減小，當工況載荷從33 N增加至200 N，改性復合材料磨損率從1.25×10–6mm3/(N·m)降至0.4×10–6mm3/(N·m)。隨著Nano–SiC含量的增加，試樣磨損表面的橡膠顆粒脫落情況有效改善，大片磨屑撕扯脫落情況減少，犁溝變得細而淺，黏著磨損減弱，磨損率和摩擦系數顯著降低。