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原文传递丁腈橡胶基水润滑轴承材料摩擦学行及机理研究

论文题名：	丁腈橡胶基水润滑轴承材料摩擦学行及机理研究
关键词：	水润滑轴承;丁腈橡胶;纳米粒子;摩擦学性能;分子动力学模拟
摘要：	尾轴承（水润滑轴承）作为水面舰船和水下航行器上承载螺旋桨轴和尾轴的重要支撑部件，对螺旋桨动力的稳定输出和舰船安全航行至关重要。水润滑轴承在使役过程中，由于水粘度低，承载能力远低于油，易造成水润滑轴承与尾轴的直接接触导致轴承材料的过快磨损，进而产生振动与噪声，使用寿命降低和维修成本增加等问题。因此，开展水润滑尾轴承材料性能与摩擦学机理研究，已经成为国内外学者研究热点和工程应用的关键性难题，对于开发设计高性能橡胶水润滑轴承材料、提高舰船水润滑轴承使用寿命、舰船运行的安全可靠性，具有重要的理论学术意义和工程应用价值。　　本文针对橡胶水润滑轴承因润滑不良易导致过快磨损的问题，开展了丁腈橡胶基水润滑轴承内衬材料摩擦学行及机理研究。以丁腈橡胶为基体材料，分别填充不同粒径的二氧化硅、不同维度的碳纳米材料（二维石墨烯和一维碳纳米管），采用乳液共混和机械共混工艺制备丁腈橡胶基复合胶料。结合Rtec多功能摩擦磨损试验机（环-块模式）台架试验和分子动力学模拟方法，研究微粒子粒径、粒子与丁腈橡胶基体间界面作用以及粒子维度对丁腈橡胶水润滑摩擦学行为影响作用机理。主要研究内容为：　　（1）针对纳米二氧化硅在丁腈橡胶中分散不佳问题，采用硅烷偶联剂对其进行表面改性的方法，提高其在基体胶料中的分散性，增强其与丁腈橡胶基体间的界面作用。研究了二氧化硅的粒径大小、与基体材料不同的界面作用对丁腈橡胶复合胶料机械力学性能和水润滑摩擦学行为的影响。研究表明，二氧化硅粒径大小显著影响其在丁腈橡胶基体中的分散行为。纳米二氧化硅与基体材料间界面作用的增强，显著提升了丁腈橡胶基复合胶料的磨损性能，同时也增大了复合胶料的摩擦系数。粒子与基体材料间不同的界面作用使得丁腈橡胶复合胶料呈现了不同的磨损机理。　　（2）基于分子动力学模拟方法，构建了二氧化硅和改性二氧化硅填充丁腈橡胶的分子摩擦磨损模型，从分子尺度研究了二氧化硅与丁腈橡胶基体间的不同界面作用，对丁腈橡胶力学性能和摩擦学行为的影响。分析了不同界面作用，在模拟过程中对丁腈橡胶分子链的回转半径、原子的运动速度、温度、原子浓度分布、铜棒的周围碳原子浓度、铜棒与丁腈橡胶分子链间结合能、以及丁腈橡胶中范德瓦尔斯能的影响。研究发现，二氧化硅与丁腈橡胶基体之间界面作用的增强，能进一步抑制摩擦界面处丁腈橡胶的原子速度和温度峰值，提升分子链的刚性和改善丁腈橡胶的原子浓度分布，进一步降低丁腈橡胶的原子磨损率，提升其磨损性能。　　（3）对比研究了碳纳米材料维度和界面作用对丁腈橡胶水润滑摩擦学行为的影响。研究了石墨烯和碳纳米管对丁腈橡胶机械力学性能、亲疏水特性和摩擦学行为的影响。研究表明，两种碳材料均能显著改善丁腈橡胶的摩擦系数和提升其磨损性能。二维石墨烯和丁腈橡胶间形成更强的界面作用，但在磨损过程中却更易脱离丁腈橡胶基体。一维碳纳米管具有极大的长径比，促使丁腈橡胶分子链与其发“缠绕”行为，抑制了其脱离丁腈橡胶基体的行为，同时能够更好的“锁住”丁腈橡胶分子链，显著提升丁腈橡胶的磨损性能。二维石墨烯在改善丁腈橡胶摩擦系数方面效果显著，而一维碳纳米管在提升丁腈橡胶的磨损性能方面优势明显。　　综上所述，通过本文的研究发现，微粒子影响丁腈橡胶基水润滑轴承材料的摩擦学行为与微粒子的粒径、粒子与基体材料间的界面作用和粒子维度均有关。微粒子的纳米尺度粒径和强的界面作用是增强丁腈橡胶基水润滑轴承材料磨损性能的重要因素，而纳米粒子维度对丁腈橡胶磨损性能的增强效果优于界面作用。
作者：	刘学申
专业：	交通运输工程
导师：	周新聪
授予学位：	博士
授予学位单位：	武汉理工大学
学位年度：	2023