涉水工程裝備用聚合物摩擦副材料改性技術研究進展?

蔡 暾 王學美 詹勝鵬 賈 丹 楊 田 李 健 段海濤

（1.中國機械總院集團武漢材料保護研究所有限公司，特種表面保護材料及應用技術國家重點實驗室 湖北武漢 430030；2.湖北隆中實驗室 湖北襄陽 441000；3.武漢船用機械有限責任公司 湖北武漢 430085）

水資源是一個巨大的寶庫，是人類解決資源短缺、拓展生存發展空間的戰略必爭之地［1］。21 世紀是人類開發各類水資源、利用水域戰略空間的新階段，高效開發利用水資源、有力維護水域權益都離不開涉水工程裝備的支撐［2－3］。其中，運動副部件的摩擦磨損問題直接關系到涉水工程裝備安全可靠運行、水環境保護以及裝備技術水平，相應的水環境下摩擦副材料制備技術一直是重點需求和難點問題，對涉水工程裝備發展起到重要的推動作用［4－5］。水環境的復雜性使得涉水工程裝備運動副所面臨的摩擦學問題復雜多樣，如水的低黏度導致摩擦界面難以形成有效的潤滑膜；水環境的腐蝕性會大大加速摩擦副材料的磨損進程；復雜的水況容易使涉水工程裝備產生振動和沖擊，突變的高接觸應力嚴重影響運動副部件的可靠性及使用壽命；微生物的附著、大量沙粒的沖蝕磨損以及深水高壓環境與磨損腐蝕行為的耦合作用，也是影響涉水工程裝備使役性能的重要因素［6］。

隨著“綠色摩擦學”（Green tribology）理論在涉水工程裝備領域的發展，摩擦學的研究目標正在從傳統的控制摩擦（減少磨損和改善潤滑）概念轉變為提升能源效率和環境友好摩擦學，例如節能、減排、低噪聲和振動、發展生態潤滑等［7－9］。傳統的金屬摩擦副材料在水中極易與其他介質發生電化學反應而受到嚴重腐蝕，從而加速運動副的摩擦損傷，同時其在使用過程中需要使用潤滑油或潤滑脂進行潤滑，消耗了大量的礦物油和貴金屬資源［10］。同時基于節約資源和保護環境的考慮，由于金屬摩擦副所用油／脂潤滑劑泄漏造成的環境污染問題是不可忽視的［11］。因此具有自潤滑特性的聚合物替代金屬作為摩擦副材料，已廣泛應用于涉水工程裝備、航空航天、軌道交通領域的水潤滑軸承、導軌、襯墊等運動部件［12］。聚合物及聚合物基復合材料具有低密度、高韌性、耐腐蝕，以及優異的自潤滑和機械加工性能等特點，且用于涉水工程裝備中還具有一些特別優勢，如在水環境下聚合物材料的不導電特性可杜絕電偶腐蝕，在水下遮光環境可避免材料的光老化，聚合物材料具有優異的包埋沙粒等異物的能力，這使得聚合物作為摩擦副材料在水環境下具有廣闊的應用前景［13］。然而，與金屬材料相比，聚合物材料存在強度低、蠕變、老化以及吸水等固有缺陷，并且在低速重載工況下難以形成完整的潤滑水膜導致嚴重的磨損及振動，加之涉水工程裝備運動副所面臨復雜多樣的摩擦環境，極大地限制了聚合物材料作為摩擦副部件在涉水工程裝備領域的應用。

綜上所述，針對水環境這一特殊的使役工況，開發應用于涉水工程裝備的高性能聚合物摩擦副材料，對于提升涉水工程裝備運動副部件的可靠性和延長其使用壽命，拓展水環境中用聚合物摩擦副材料的應用領域，具有重要的理論指導意義和工程實用價值。基于此，本文作者圍繞輻照與等離子體表面改性技術、填料共混復合改性技術、織構化表面調控技術以及功能化水潤滑表面調控技術4 個方面，綜述了目前國內外關于涉水工程裝備用聚合物摩擦副材料表界面潤滑狀態調控技術的研究進展，介紹了幾類改性技術的優勢和挑戰，總結了材料的制備方法和潤滑機制，最后對涉水工程裝備用聚合物摩擦副材料的制備技術和摩擦學研究方向進行了總結和展望。

1 輻照與等離子體表面改性技術

表面改性是通過化學、物理的方法改變材料或工件表面的化學成分或組織結構來改變聚合物材料的表面化學性質，以提高對水的附著力、減少腐蝕并增強摩擦學性能。這種改性可以通過激光表面處理、γ 射線輻照和等離子體增強化學氣相沉積等方法實現。

激光表面處理是利用激光掃描過程中材料表面組織結構變化或改變材料表面化學成分來實現材料表面性能的改善。文獻［14－15］研究了激光誘導超高分子量聚乙烯（UHMWPE）材料表面的粗糙度和潤濕性的變化，發現在高脈沖能量輻照后表面檢測到C＝C和C＝O 鍵，材料表面殘留大量的碳化顆粒使得樣品的潤濕性和表面粗糙度增加。文獻［16］探究了激光輻照對UHMWPE 表面特性的影響，結果表明激光輻照后材料表面潤濕性和粗糙度顯著增加。為了研究激光處理對海水環境下聚醚醚酮（PEEK）摩擦學性能的影響，文獻［17］使用不同功率密度的激光處理PEEK 表面，發現在低功率密度的激光照射下PEEK表面發生氧化，水分子和陽離子在表面的吸附使得摩擦因數減小；而在高功率密度的激光處理后，PEEK表面發生碳化生成碳化層，其潤滑保護作用是摩擦磨損減小的主要原因（反應機制如圖1 所示）。上述研究工作表明，激光表面輻照后聚合物表面主要發生氧化和碳化反應，其中氧化反應產生的極性基團會導致材料表面的潤濕性有所增加，而生成的碳化層可以有效提升材料的減摩耐磨性能。

圖1 激光表面處理PEEK 的反應示意［17］：（a）表面氧化；（b）表面碳化Fig.1 Schematic of the PEEK reactions during laser treatment［17］：（a）surface oxidation；（b）surface carbonization

γ 射線輻照是一種高效、可控、環境污染小的聚合物材料改性方法。通過γ 射線輻照可以在聚合物中形成大量自由基，從而促進聚合反應進行。或者自由基相互結合形成交聯鍵，使聚合物成為一種更為緊密的網狀結構，提高其摩擦學性能、力學強度、穩定性等性能［18］。此外γ 射線輻照可以促進氧分子進入聚合物中，從而產生氧化反應，高強度的輻照也會使聚合物鏈斷裂［19］。XIONG 等［20］研究了γ 射線輻照改性對水潤滑條件下UHMWPE 材料摩擦學性能的影響，結果表明，經過γ 射線輻照改性材料的摩擦因數略有上升，但磨損率有明顯下降。段為朋等［21］利用γ 射線輻照改性UHMWPE 并探究了改性材料在人工海水潤滑下的摩擦磨損性能，發現γ 射線輻照會使UHMWPE 發生交聯，其摩擦因數略有增加，但磨損率有所下降。交聯作為聚合物體系中的一個顯著特征，在熱塑性聚氨酯（TPU）的摩擦學性能中發揮著重要作用。JIANG 等［22］通過γ 射線加強氫鍵效應制備了不同交聯度的TPU，研究了交聯對TPU 水潤滑條件下摩擦學性能的影響，結果顯示摩擦因數隨著交聯度的增加而增加。

利用等離子體增強化學氣相沉積（PECVD）表面改性方法，在聚合物材料表面構建可控碳膜是克服聚合物材料因硬度低、耐磨性差而在極端環境下應用受限等問題的最有效方法之一［23－26］。FISCHER 等［27］通過PECVD 技術在聚乙烯表面制備了2 種類型可控碳膜，并通過比較碳中心的特征指紋行為提出了適當的層間形成機制。上述研究表明，通過連續的等離子體處理，可能會發生由聚合物鏈中的碳結構到非晶碳層的轉變。SU 等［28］采用PECVD 方法，通過連續乙炔等離子體處理，在PEEK 基板上制備了具有等離子誘導原位過渡層的可控碳膜（如圖2（a）所示），發現與原始PEEK 相比，改性PEEK 在真空、空氣和海水介質中的摩擦因數和磨損率均有很大改善（如圖2（c）所示）；同時發現在柔性聚合物基材表面構建可控碳膜，會使材料具有獨特的力學和摩擦學適應性（如圖2（b）和（d）所示）。

圖2 PEEK 基板上等離子誘導原位生長非晶碳薄膜示意（a），PEEK 和a－C ∶H 薄膜的納米壓痕載荷－位移曲線（b），真空、空氣和海水介質中PEEK 和a－C ∶H 薄膜的平均摩擦因數和磨損率（c），薄膜在不同環境下的磨損機制示意（d）［28］Fig.2 Schematic of the plasma－induced in－situ growth amorphous carbon film on PEEK substrate（a），load－displacement curves of PEEK and a－C ∶H films by nanoindentation（b），the statistical values of the mean coefficient of friction and the wear rate in the vacuum，air and seawater media（c）；schematic of the wear mechanism of the film in different environments（d）［28］

輻照與等離子體表面改性技術都是通過能量對聚合物材料表面進行沖擊，使材料表面組織結構變化或改變材料表面化學成分來實現材料表面性能的改善，具有高效、可控、環境污染小等優點。但是，該類方法對于聚合物的結構調控僅限于材料表面，無法對材料整體摩擦學性能進行有效的增強，當表面改性層被破壞后將面臨失效問題。因此，如何利用相關技術對聚合物材料整體進行改性，開發出具有高可靠性、長壽命、性能優異的聚合物摩擦副材料，仍具有一定的挑戰性。同時，實現軟聚合物表面和硬無機非晶碳層之間的物理和化學穩定結合仍然是一個值得研究的方向，相關新型等離子體誘導的原位過渡層結構研究是梯度涂層概念在聚合物應用中的進一步發展［28］。

2 填料共混復合改性技術

大量的研究工作已經證明，在去離子水或海水潤滑條件下，添加填料可顯著增強聚合物基體的耐磨性［29－31］。傳統的填料共混減摩抗磨機制主要包括機械強化、裂紋抑制和摩擦散熱等。此外聚合物轉移到對偶接觸面上形成轉移膜對摩擦副的摩擦學行為起著至關重要的作用。黏附良好的聚合物轉移膜有助于減少磨損，填料主導的轉移效應也會降低磨損。改性聚合物轉移膜的摩擦效應取決于填料的摩擦化學活性、粒徑和硬度［32－34］。

近年來，國內外學者圍繞海水環境下填料增強聚合物基摩擦副材料表界面潤滑狀態調控及高性能邊界膜的構建開展了大量研究工作。XU 等［35］發現在短碳纖維增強的PEEK 中進一步添加5%體積分數的六方氮化硼納米粒子可顯著提高耐磨性，這是由于摩擦化學產物H3BO3和B2O3排列在緊密堆積的邊界膜中提高了邊界膜的彈性，覆蓋在對偶件表面的連續邊界膜中提供了潤滑作用并強化了鈍化層（如圖3（a）所示）。CAMPBELL 等［36］研究了由質量分數10%和20% PEEK 填充和5% α－Al2O3填充的聚四氟乙烯（PTFE）復合材料在水環境中的摩擦化學機制，結果表明，由于摩擦化學產生的羧酸鹽端基將聚合物轉移膜固定在對摩件表面，有效降低了復合材料在潮濕空氣環境中的磨損率；但是由于聚合物鏈末端官能團在水中的過飽和效應阻止了轉移膜的形成，2 種復合材料在水環境中都表現出高磨損（如圖3（b）所示）。HOU 等［37］將二硫化鉬（MoS2）作為增強相添加到PEEK 中以提高其在水環境中的潤滑性和抗磨損性能，結果表明適量的MoS2會降低摩擦界面之間的剪切強度（如圖3（c）所示）。

圖3 海水環境下PEEK／SCF／h－BN 復合材料與不銹鋼摩擦過程中的邊界潤滑效應及其耐腐蝕性能（a）［35］，PTFE 復合材料摩擦界面水和摩擦化學的作用（b）［36］，PEEK／MoS2復合材料在水性潤滑中的摩擦學性能和磨損機制（c）［37］，去離子水和海水作用下，鋼表面與5 SCF／2 SiC IPN 復合材料滑動摩擦膜形成和潤滑示意（d）［40］Fig.3 Boundary lubrication effect and corrosion resistance during friction between PEEK／SCF／h－BN composite and stainless steel in seawater（a）［35］，the role of water and tribochemistry at the friction interface of PTFE composites（b）［36］，tribological performance and wear mechanism of PEEK／MoS2 composite in aqueous lubrication（c）［37］，schematic of the wear mechanism of the film in different environments（d）［40］

作為一種特殊的混合體系，互穿聚合物網絡（IPN）由于整合了各組分的突出特性，在改善材料的復合行為方面越來越受到青睞［38－39］。YU 等［40］將SiC 顆粒分散到短碳纖維（SCF）增強的聚氨酯／環氧樹脂互穿網絡（PU／EP IPN）中制備了復合材料，在去離子水和海水潤滑條件下研究了復合材料的摩擦學行為。結果表明，水解產物和碳材料可以協同提高摩擦膜的承載能力，大大改善摩擦膜系統的邊界潤滑性能（如圖3（d）所示）。QU 等［41］制備了一種新型三元丁腈橡膠／聚氨酯／環氧樹脂（NBR／PU／EP）互穿聚合物網絡并系統地研究了其阻尼和摩擦學性能，結果表明，質量比為100 ∶40 ∶60 的NBR／PU／EP IPN在水潤滑條件下具有最寬的有效阻尼溫度范圍、最低的摩擦因數和比磨損率。

深水高壓環境是影響涉水工程裝備可靠性的重要因素之一。GUAN 等［42］研究了高靜水壓力對碳纖維增強聚醚醚酮（CF／PEEK）與431 不銹鋼（431SS）摩擦副摩擦學特性的影響，結果表明，隨著靜水壓力的增加，CF／PEEK 和431SS 摩擦副的摩擦因數和磨損率均有所降低，CF／PEEK 的主要磨損機制由黏著磨損變為疲勞磨損。LIU 等［43］制備了聚甲基硅氧烷（PMSQ）微球增強聚對苯二甲酸丁二醇酯（PBT）復合材料，研究了深海環境對聚合物轉移膜的作用。結果表明，PMSQ 的加入促進了PBT 向對偶面的轉移并生成轉移膜，但是海水壓力延長了轉移過程并降低了轉移膜的附著力。

武漢理工大學研究團隊以艦船水潤滑艉軸承用聚合物復合材料為研究對象，系統探索了石墨烯納米片（GNS）增強高密度聚乙烯（HDPE）復合材料［44］、多壁碳納米管（MWCNTs）增強HDPE 復合材料［45］、四針狀氧化鋅晶須（T－ZnOw）增強HDPE 復合材料［46］、T－ZnOw 和MoS2顆粒協同改 性TPU 復合材料［47］、MoS2納米顆粒增強聚酰亞胺（PI）復合材料［48］等體系在水潤滑條件下的摩擦磨損行為，揭示了填料對聚合物復合材料磨損界面摩擦力的穩定作用。研究發現，填料改性明顯提高了材料的力學性能，有效削弱了摩擦界面聚合物復合材料的變形行為，從而降低了摩擦因數和磨損率。

此外，本文作者團隊也圍繞填料增強聚合物摩擦副材料在海水環境中的摩擦學行為開展了大量研究，探索了新型層狀固體潤滑劑α－磷酸鋯（α－ZrP）對UHMWPE 海水潤滑下摩擦學性能的影響機制，制備出含有相容劑的PAANa／α－ZrP／UHMWPE 復合材料，發現α－ZrP 會在摩擦表面逐漸堆積，形成一層具有一定強度和潤滑性的保護層，使摩擦因數減小，磨損量降低［49］。并基于此研究，制備出新型表面偶聯修飾α－ZrP／UHMWPE 復合材料，使其在低速、重載苛刻使役工況下減摩抗磨性能顯著提高［50］。同時，制備了聚丙烯酸鈉（PAANa）／UHMWPE 復合材料并研究了其在海水潤滑下的摩擦學性能，發現復合材料可適量水解形成含COO－的大分子鏈和Na＋，復合材料表面從海水中吸附Ca2＋和Mg2＋形成CaCO3和Mg（OH）2，沉積在復合材料表面從而降低了其摩擦因數和磨損率［51］。并基于此研究，使用四苯基錫（Ph4Sn）作為增強劑，制備出PAANa／Ph4Sn／UHMWPE 新型聚合物復合材料，使其抗磨損性能顯著提高［52－53］。同時，還研究了PI／UHMWPE 復合材料在海水條件下與錫青銅配副的摩擦學行為，結果表明隨著PI 比例的增加，PI／UHMWPE 復合材料的磨損率先降低后升高［54］。

對于大多數的聚合物復合材料體系而言，不同組分之間的界面結合力較差，復合材料組分之間的相分離會影響填料和添加劑在復合材料中的均勻分散。目前主要通過化學或物理方法對填料表面進行改性，可以增加界面結合強度。或者與相容劑共混，可以形成穩定的界面并提高界面結合強度。

3 織構化表面調控技術

表面織構技術已被廣泛認為是改善各種材料摩擦學性能的有效手段，并已成功應用于許多領域，包括氣缸套－活塞環的流體潤滑、軸承和機械密封等［55－57］。表面織構是通過精密機械加工、3D 打印、微壓印、激光表面處理等加工工藝，在摩擦表面制備凹坑、凹槽、凸起等特定形狀、排布和尺寸的微陣列結構，以改善界面潤滑狀態和摩擦學性能。目前，關于水環境中聚合物摩擦副表面織構化調控的研究主要集中在表面織構的形態、尺寸和微結構分布等方面。

GHEISARI 和POLYCARPOU［58］研究了表面織構對芳香族熱固性共聚物（ATSP）在海水潤滑下摩擦學性能的影響，發現微織構可以有效地降低摩擦因數，在海水環境下沉積鹽可能會使摩擦界面產生一層轉移膜，同時微織構還可以顯著減輕配副金屬表面的氧化程度。CHANG 等［59］在UHMWPE 表面設計了3種Koch 雪花狀織構并研究其在水潤滑條件下的磨損過程，發現織構試樣的磨損機制是輕微的磨料磨損，具有復合織構的UHMWPE 的磨損性能優于單一織構（如圖4（a）所示）。GUO 等［60］利用3D 打印技術制造了多種球面平臺織構HDPE 試樣，研究了表面球面平臺織構參數對水潤滑條件下材料摩擦學性能的影響。研究認為球面平臺織構對水潤滑軸承的摩擦學性能有積極影響，其中1／2 球面平臺織構的試樣顯示出促進楔形效應和潤滑空化效應的最佳能力，從而改善了材料的摩擦學性能（如圖4（b）所示）。

圖4 聚合物材料表面織構在水潤滑環境下的摩擦學性能：（a）Koch 雪花狀織構［59］；（b）球面平臺織構［60］；（c）半球形凹坑、三角形凹坑和橢圓形凹坑［65］；（d）微凸起織構［67－69］Fig.4 Tribological properties of surface textures of polymer materials under water－lubricated environment：（a）Koch snowflake textures［59］；（b）spherical－platform textures［60］；（c）hemispherical pits，triangular pits and ellipsoidal pits［65］；（d）micro convex textures［67－69］

仿生織構是仿照生物體表特殊的紋理結構在摩擦副表面加工出能夠實現減摩降阻和潤滑效果的微／納結構［61］。人們觀察和研究了大量的生物體表結構，如鯊魚、甲蟲和蛇，發現這些生物體表一般都有很好的解吸、減黏、減阻、耐磨的功能，這些功能與體表的非光滑形態密切相關［62－64］。為了提高運動副工作表面的潤滑性和耐磨性，研究人員將生物表面的非光滑結構應用于摩擦副部件的各種表面，探索了表面仿生織構對材料摩擦學性能的影響。WANG 等［65］受蛇、甲蟲、高爾夫球表面形貌啟發，在碳纖維增強PEEK復合材料表面加工出半球形凹坑、三角形凹坑和橢圓形凹坑3 種仿生織構，研究了海水潤滑下光滑和非光滑表面對復合材料摩擦學性能的影響。結果表明，表面織構有利于提高材料摩擦因數的穩定性，其中橢圓凹坑織構試樣的減摩抗磨效果最好；合理的表面織構化設計能有效地儲存海水和磨屑并產生流體動壓潤滑作用，既減少了黏附磨損又防止了摩擦面之間的直接接觸（如圖4（c）所示）。LIANG 等［66］也研究了半球形凹坑織構對碳纖維增強PEEK 復合材料海水潤滑下摩擦學性能的影響，發現摩擦副表面的半球形凹坑織構產生了流體動力潤滑效應，減少了磨料磨損。武漢理工大學研究團隊受生物體表面微凸結構的啟發，在聚合物材料表面制備了一系列凸起織構，并研究了其對材料水潤滑條件下摩擦學性能的影響（如圖4（d）所示）。其中，GUO 等［67］在UHMWPE 表面加工了圓柱體、長方體和立方體3 種凸起織構，測試發現3 種凸形織構對改善材料的摩擦學性能有積極作用，表面織構可以穩定摩擦性能，降低磨損率，減少摩擦副的磨蝕和黏著磨損。HU 等［68］使用3D 打印技術制備了12 種球形凸起織構的TPU 材料，在水潤滑條件下的摩擦學行為分析結果表明，球形凸起織構有利于清除表面的磨損碎片，減少了摩擦副之間的黏著，加強了水流的楔子效應和空化效應。CUI 等［69］通過3D 打印技術在TPU 表面制備了不同尺寸的菱形凹／凸織構，在水潤滑條件下測試其摩擦學性能。研究發現菱形表面織構通過匯聚和空化效應產生了額外的流體動壓潤滑作用，并可以防止磨料顆粒在摩擦表面堆積，有效改善TPU 材料的摩擦和磨損性能。

對于聚合物材料表面織構制備而言，傳統的機械加工、模壓成型技術存在加工精度不足，模具加工繁瑣等問題，激光表面處理可以實現表面改性和表面織構化調控的結合，但是高強度的激光輻照容易對聚合物表面造成損傷，而利用3D 打印技術制備表面織構不需要加工模具，也不會對聚合物表面造成破壞，具有廣闊的發展前景。目前，大量的研究主要是針對織構形狀參數對比分析并進行摩擦學測試，不同的研究人員只針對某種材料進行織構研究，如何將表面織構技術進行系統地利用成為一大難題。此外，對于表面織構和其他改性方法協同作用對聚合物摩擦副表／界面潤滑狀態的調控還沒有被系統地探討，也是未來的研究方向之一。

4 功能化水潤滑表面調控技術

水分子整體上是電中性的，但由于氫原子和氧原子上的殘余電荷，它們具有很強的偶極子。因此，水分子可以在極性基團周圍形成一個水合層［70－73］。此外，當水合電荷相互接近時會發生排斥作用，避免了水合層的重疊，使水化層具有較小的剪切模量。在水合潤滑中，滑動界面上的帶電基團可以通過較強的靜電作用固定水合的異性帶電基團。因此，水合層在摩擦過程中可以承受較大的法向壓力而不被擠出［74］。基于水合潤滑的機制，添加水合分子可以有效降低界面摩擦，因此通過添加極性基團制備水合潤滑聚合物復合材料已成為調控涉水工程裝備用聚合物界面摩擦的有效方法之一。

聚合物基水合潤滑材料主要通過引入聚合物刷、微膠囊和水凝膠來制備［75］。聚合物刷是通過將聚合物鏈接枝到基體表面，在分子鏈之間的空間阻礙效應和排斥力的作用下，接枝的聚合物鏈形成垂直于基體表面的刷狀結構［76］。YUAN 等［77］通過將羧酸鹽陰離子嫁接到環氧樹脂基體中合成了一種帶負電的材料，當使用NaCl 溶液作為潤滑劑時，改性環氧樹脂在低速條件下顯示出更好的摩擦學性能。然而，環氧樹脂基體的機械強度較差，需開發機械強度更好的負電性材料來拓展其工程應用范圍。基于此，YUAN 和ZHANG［78］進一步開發了一種具有超低摩擦力、良好的耐磨性和高負載能力的磺化PEEK（SPEEK）水潤滑摩擦副材料，在質量分數3% NaCl 溶液中表現出良好的摩擦學性能。研究結果表明摩擦副上帶負電荷的－S基團可以通過靜電相互作用吸附水合Na＋陽離子，這些水合Na＋陽離子具有較高的負載能力和較低的剪切阻力。為了解決聚合物水潤滑軸承材料在低速和重載下難以形成有效潤滑導致摩擦引起的異常振動和噪聲的問題，LIU 等［79］在丁腈橡膠（NBR）表面接枝聚乙二醇（PEG）（PEG－g－sNBR）并研究了PEG－g－sNBR 水潤滑條件下的摩擦學行為，結果表明PEG－gsNBR 可以在較低的轉速下形成潤滑膜，從而表現出優異的摩擦學性能和減振性能（如圖5（a）所示）。CAI 等［80］利用紫外光誘導表面接枝法在UHMWPE粉末表面接枝聚丙烯酸（PAA）潤滑層，成功模壓制備UHMWPE－g－AA 材料并研究其在海水潤滑下的摩擦學性能。研究發現PAA 潤滑層及其對海水中水合陽離子的吸附增強了潤滑膜的潤滑效應，顯著改善了材料低載荷條件下摩擦界面的潤滑性（如圖5（b）所示）。

圖5 PEG－g－sNBR 聚合物刷的制備示意（a）［79］，海水潤滑條件下UHMWPE－g－AA 的潤滑機制示意（b）［80］，微膠囊的潤滑機制（c）［83］，復合材料潤滑機制（d）［89］Fig.5 Schematic of the preparation of PEG－g－sNBR brush（a）［79］，schematic of the lubrication mechanism of UHMWPE－g－AA under seawater lubrication conditions（b）［80］，lubrication mechanism of microcapsules（c）［83］，the lubricating mechanisms of composites（d）［89］

鐵梨木是一種常用的水潤滑艉軸承材料，具有高硬度、高強度、水環境中摩擦學性能優異等特點，但是鐵梨木材料水環境中尺寸穩定性差且資源稀少。楊宗榕等［81］通過對鐵梨木材料微觀結構進行分析并研究了表面微觀結構對摩擦學性能的影響，發現樹脂外層覆蓋有殼狀結構時樹脂能夠穩定地存在，殼狀結構被破壞前有效地避免了樹脂與水的接觸；同時以鐵犁木的自潤滑實現機制為指導，設計了以70 N 基礎油為芯材的仿生微膠囊添加到高聚物材料中，發現微膠囊結構有效地避免了潤滑劑在低速重載的工況下因泄漏而失去功效，同時保證材料在磨損劇烈階段微膠囊能破裂釋放潤滑劑對磨損區域進行潤滑。基于該研究，武漢理工大學研究團隊分別制備了芯材為石墨、棕櫚酸棕櫚酯、潤滑劑N，N－亞乙基雙硬脂酰胺、芥酸酰胺和MoS2，壁材為脲醛樹脂（UF）的微膠囊，與UHMWPE、HDPE 共混制成復合材料，發現微膠囊能夠降低材料的摩擦因數并且使摩擦因數變化更為穩定［82－85］，優化了復合材料的磨損表面形態從而改善了其摩擦學性能（如圖5（c）所示）。

水凝膠是一種具有三維交聯網絡的軟物質材料，在水中可以高度溶脹、吸收并保持大量水分，其大分子鏈上的水合層能夠在摩擦中提供高效的潤滑作用［86］。WANG 等［87－88］提出了一種利用聚丙烯酰胺（PAAm）水凝膠的水合潤滑來改善UHMWPE 和HDPE 摩擦學性能的復合策略，發現PAAm 碎片可以形成水合潤滑層，顯著改善復合材料的摩擦學性能，但PAAm 水凝膠顆粒的引入降低了復合材料的機械強度。基于上述研究，WANG 等［89］進一步通過用柔軟的PAAm 層修飾二維氧化石墨烯（GO）表面（如圖5（d）所示），將水合潤滑和二維形狀效應結合起來，以提高UHMWPE／GO 復合材料的性能，結果表明接枝在GO 上的PAAm 層在改善復合材料的承載能力和潤滑條件方面發揮了重要作用。

綜上所述，通過引入聚合物刷、微膠囊和水凝膠來制備聚合物基水合潤滑材料可以顯著改善復合材料的摩擦學性能，但是水合潤滑膜的強度和承載能力有限，高載荷條件下容易發生潤滑失效。因此，未來需要進一步開展水合潤滑與填料增強協同改性聚合物摩擦副材料的研究，同步提高復合材料的潤滑和承載能力，拓展聚合物摩擦副材料在涉水工程裝備中的實際應用。

5 總結與展望

高性能涉水工程材料的研究和發展為先進的涉水工程裝備提供了有力支撐。其中，運動副部件在涉水極端環境下的磨損失效機制探索及減摩耐磨耐蝕新材料的開發是發展涉水工程裝備的關鍵應用技術之一。文中圍繞涉水工程裝備用聚合物摩擦副材料改性這一關鍵科學問題，系統綜述了目前國內外關于水環境下聚合物摩擦副材料改性技術的研究進展，為水環境下聚合物摩擦副潤滑失效問題的解決提供了初步的方法和思路。雖然國內外學者致力于研究涉水極端環境下聚合物材料的摩擦學問題，但對實驗過程和數據的分析表明，在實際工程應用方面仍有一些挑戰。未來對涉水工程裝備用聚合物摩擦副材料的制備技術和摩擦學研究方向可以從以下4 個方面展開：

（1）隨著高端涉水裝備的快速更新換代，其摩擦工況也日益苛刻，高速、高壓、重載、啟停等多因素強耦合環境對運動部件摩擦副材料的性能提出了更高的要求。因此，開發高性能、長壽命的自潤滑聚合物基摩擦副材料，仍是未來研究方向之一。

（2）基于實際工程應用的要求，聚合物摩擦副材料在水環境中須同時具備良好的強度和尺寸穩定性。利用表面改性技術或親水性聚合物材料的設計雖然可以改善摩擦副表界面潤滑狀態，但是親水性填料或改性表面吸水后會發生溶脹、弱化，這不利于摩擦副材料在水中的穩定性。因此，如何設計具有一定尺寸與性能穩定性的親水性聚合物復合材料仍具有一定的挑戰性。

（3）水環境十分復雜，導致涉水工程裝備運動副所面臨的摩擦學問題復雜多樣，磨損、腐蝕、高壓等因素及其交互作用對聚合物摩擦副材料的可靠性指標和服役壽命提出了更高的要求。因此，對聚合物摩擦副材料進行多因素交互作用下的可靠性評價和壽命預測，是亟待解決的問題。

（4）目前聚合物材料的開發主要依靠傳統“試錯法”，該類方法效率低、研發周期較長，致使新型聚合物材料的研發速度無法滿足高性能裝備的發展需求。機器學習等人工智能技術用于聚合物及聚合物基復合材料成分優化和智能篩選方面，可有效減少聚合物數據量且縮短材料開發周期等。因此，建立聚合物材料水環境下磨損與失效的數據庫，提出基于機器學習的新型聚合物功能材料設計與制備新方法，可以為涉水工程裝備用聚合物材料的發展提供新的思路。