1.4 聚合物与金属配副在海水中的摩擦学行为

　　相对于金属和陶瓷材料，聚合物及其复合材料可在一定条件下产生较大的变形，具有较好的完全复原能力，其所具有的包埋磨粒特性能极大地提高其耐磨性，因而被广泛应用于海水环境下的关键摩擦副材料。

　　Lancaster发现在海水环境下，碳纤维增强的聚合物与S80不锈钢对摩时的磨损率小于纯水中的磨损率，原因可能是海水对金属对摩面的腐蚀促进其表面的抛光与粗糙度的降低。王建章等研究了超分子量聚乙烯等复合材料在海水、纯水中分别与钢(GCr15)和镍基合金(Ni-Cr-WC)对摩时的摩擦学行为，研究发现：碳纤维/PTFE(聚四氟乙烯)具有最低的摩擦系数和磨损率，比较适合于海水润滑。5种材料与GCr15在海水中对摩时的摩擦系数与磨损率较高的原因是GCr15在海水腐蚀下表面粗糙度增加，使得海水液膜难以形成，海水的润滑作用较差;另外，软质聚合物与硬质金属之间的直接接触面积增大，因而，聚合物的摩擦系数与磨损率随着GCr15表面粗糙度的增加而增大。这种依赖于介质对对偶面腐蚀的磨损称为间接腐蚀磨损。Ni-Cr-WC合金不仅在纯水或海水中的接触角小于GCr15，而且依据液膜厚度与摩擦表面的润滑性能密切相关的理论，其在两种介质中的润滑性能和表面润滑作用均优于GCr15。王建章研究了UHMWPE(超高分子量聚乙烯)等聚合物在海水润滑下的摩擦学行为，并考察了TC4等金属材料在模拟海洋环境中的磨损机制，研究发现：海水具有比纯水更优异的润滑性能的决定性因素是海水中所含的Ca+ 与Mg+，海水润滑是一种以边界润滑和流体润滑共同作用的混合润滑;聚合物在海水润滑下与不同金属对摩时，遵从间接腐蚀磨损机制;UHMWPE与碳纤维/PTFE是十分具有潜力的海水润滑材料;金属材料在海洋环境中自配时，其磨损率的对数与海水静压或者海水深度呈指数递减的关系;在深海环境下，TC4具有其他合金无法比拟的耐磨损能力。

　　孙文丽等研究了赛龙/镀镍钢配副在海水润滑条件下的摩擦与润滑特性，研究发现，海水润滑可以降低温度对摩擦副表面的影响。在海水润滑下，摩擦系数随着速度增大而下降，原因是水的润滑作用使摩擦表面的最大摩擦力小于干摩擦条件下的摩擦力。当温度达到60℃时，赛龙材料在水中会发生分解，所以控制海水温度对提高摩擦副的摩擦学性能有着至关重要的作用。摩擦副的磨损机制有腐蚀磨损、气蚀磨损和磨粒磨损。段海涛研究了GCr15分别与赛龙、飞龙、超高分子量聚乙烯摩擦副在淡水和海水介质中的摩擦学特性，研究结果显示：超高分子量聚乙烯/GCr15与飞龙/GCr15摩擦副在海水介质中的摩擦系数都随着转速的增加而下降;超高分子量聚乙烯与飞龙的磨损体积都随着转速的增加而增加;超高分子量聚乙烯的磨损机制主要是磨粒磨损、塑性变形和材料褶皱，赛龙的磨损机制主要是磨粒磨损、疲劳磨损和材料褶皱。飞龙/GCr15摩擦副在海水介质中的摩擦系数随时间延长呈现先升高后缓慢降低的趋势，随转速的增加而降低;磨损机制主要是磨粒磨损、疲劳磨损。通过进一步比较发现，在海水介质中，超高分子量聚乙烯/GCr15摩擦副的摩擦系数和磨损体积都最小。张丽静研究了聚四氟乙烯/镀镍45#钢摩擦副在海水润滑条件下的摩擦磨损性能，研究发现：海水起到了润滑的作用，但海水的含沙量对摩擦系数的影响最大，其次是转速;摩擦副表面有润滑膜形成，PTFE材料在不含沙的海水中与镀镍45#钢对摩后的表面相对较平滑;在含沙海水中的磨损主要是磨粒磨损和局部粘着磨损，这两者的存在使材料表面磨损严重。目前，由于苛刻的工作环境对机械零部件的性能提出了极高的要求，而聚合物复合材料不仅有良好的力学性能和摩擦性能，还具有良好的化学稳定性等优点，成为海水润滑材料的新选择。通过大量研究发现，UHMWPE/PTFE、碳纤维PTFE在海水环境下具有更好的摩擦学性能，是十分具有潜力的海水润滑材料。聚合物材料在海水环境下的磨损遵从间接腐蚀磨损，即其磨损程度取决于海水对其配副的腐蚀，因此选取性能优越的配副材料对聚合物摩擦副尤为关键。海水温度、含沙量也是影响聚合物材料摩擦学性能的因素，探寻在海水环境下使用摩擦学性能更佳的聚合物材料具有重要的科研和实用价值。海水所具有的复杂介质环境使其具有比纯水更好的润滑性能，海水中的离子促进润滑膜的形成，提高接触表面的润滑特性。海水环境中，腐蚀磨损、气蚀磨损和磨粒磨损是聚合物材料的主要磨损机制。金属材料在海水中的磨损率还与海水的深度、压力等有关。钛合金(TC4)表现出优异的摩擦学性能，为深海环境下金属材料的选择提供新的思路。另外，改善聚合物材料的物化特性，系统深入研究聚合物与金属配副在海水环境下的摩擦磨损性能，在海洋工程领域具有重要的意义。