为了避免船舶润滑油泄漏带来的严重污染［１］ ， 同 时随着绿色船舶理念的推行， 水润滑轴承凭借结构简 单、 成本低廉， 适应性好［２－３］ 等优点逐渐受到人们的 关注。水润滑艉轴管轴承是一种环保型工程部件， 广 泛应用于船舶推进系统［４］ 。采用水润滑艉轴管轴承， 可有效防止润滑油泄漏带来的资源浪费和水污染。然 而由于水的黏度远小于润滑油， 所以在轴承间隙内形 成的水膜较薄并且容易破裂［５］ ， 因而在相同工况下形 成的水润滑膜的承载能力比油润滑膜要差。特别是在 船舶设备启停和转向等低速重载工况下， 因难以形成 稳定有效的水润滑膜， 导致轴与轴承之间处于边界润 滑甚至干摩擦的状态， 造成摩擦因数增大、 磨损 加剧［６］ 。 

水合润滑是一种利用极性水分子和带电基团形成 水合层来提高润滑性能的润滑模式［７］ ， 水合层不仅空 间稳定性高， 还能够有效降低剪切阻力［８］ 。这为改善 水润滑轴承润滑性能的不足提供了一种方法。 

水凝胶是一种具有三维交联网络结构水性高分子 聚合物［９－１０］ ， 能在水中溶胀， 吸收并保持大量水分。由于水凝胶中含有大量亲水性基团， 与水接触后， 能 够与水分子之间形成大量的氢键， 从而围绕着分子链 形成一层稳定的水合层， 因此有着优越的摩擦性能。ＬＩＵ 等［１１］ 发现水凝胶在水中的摩擦因数明显低于空 气中， 并随着载荷的增加而降低， 在低负荷下效果更 为明显。ＮＩＳＨＩ 等［１２］研究发现在水润滑条件下， 部分 覆盖有聚乙烯醇水凝胶贴片的橡胶半球与玻璃板之间 的摩擦因数最低小于 ０. ０１。ＰＩＴＥＮＩＳ 等［１３］ 发现一种 大网孔水凝胶表现出超强的润滑性能， 测量其最低摩 擦因数为 ０. ００１ ３ 左右。水凝胶同样还具有优异的生 物包容性， 已被广泛研究和应用于生物医疗摩擦学领 域［１４－１６］ 。本文作者研究利用水凝胶的水合润滑来改 善热塑性聚氨酯的摩擦学性能， 结果可为新型水润滑 轴承材料研发提供有效方法。

1.1 材料制备

试验主要原料：聚乙烯醇 （ ＰＶＡ）， 无水氯化钙 （ＣａＣｌ ２ ）， 均购自无锡亚泰联合化工有限公司；壳聚 糖 （ＣＳ）， 购自国药集团化学试剂有限公司；海藻酸 钠 （ＣＰ）， 购自天津登封化学试剂厂；硼酸， 购自商 丘良丰有限公司；蒸馏水， 购自屈臣氏蒸馏水有限公 司；热塑性聚氨酯 （ＴＰＵ） ６２８０Ａ， 购自福建汇德新 材料有限公司。 

将 ８ ｇ ＰＶＡ、 １ ｇ ＣＰ 溶于 ２４０ ｍＬ 蒸馏水并将混合 溶液转移到烧杯中， 在 ３００ ｒ／ ｍｉｎ 搅拌速度、 １００ ℃油浴条件下反应 ２ ｈ；加入 ８ ｇ ＣＳ 并在 ８０ ℃下继续反 应 ６ ｈ；冷却后， 将混合溶液滴入质量分数 ３％ 的 ＣａＣｌ ２饱和硼酸溶液中形成如图 １ 所示的水凝胶球， 并浸泡 １２ ｈ ［１７］ ；用蒸馏水洗涤 ２ 次以除去未反应的 化合物；将水凝胶在 ６０ ℃ 下真空干燥 ２４ ｈ， 干燥后 利用破碎机和研磨皿研磨， 直至粉末通过 ２５０ 目筛。

将水凝胶颗粒和 ＴＰＵ 加入密炼机 （中国武汉启 恩科技发展有限公司生产） 中熔融和搅拌， 使水凝 胶颗粒和 ＴＰＵ 均匀混合。设定密炼机温度为 １９０ ℃ ， 转速为 ３０ ｒ／ ｍｉｎ， 每次操作持续 １０ ｍｉｎ。通过上述方 法分别制备了水凝胶质量分数分别为 ０、 １％、 ２％、 ４％和 ８％的 ５ 种水凝胶／ ＴＰＵ 复合材料， 分别命名为 ＴＰＵ、 Ｈｙ－１、 Ｈｙ－２、 Ｈｙ－４ 和 Ｈｙ－８。

将复合材料样品放置在破碎机 （中国武汉启恩 科技发展有限公司生产） 中破碎为颗粒， 然后使用 注塑机 （ 中国湖北启恩科技发展股份有限公司生 产） 在 １９０ ℃ 温度下将复合颗粒加工成如图 ２ 所示 的圆环试样， 其内径为 １８ ｍｍ， 外径为 ３０ ｍｍ， 高 度为１０ ｍｍ。

1.2 摩擦试验 

为了模拟水润滑条件下轴承与铜合金衬套之间的 摩擦磨损情况， 使用如图 ３ 所示的 ＱＳｎ７－０. ２ 锡青铜盘分别与试样对摩。锡青铜盘的成分见表 １。锡青铜 盘外径为 ３２ ｍｍ， 内径为 １６ ｍｍ， 高度为 ５ ｍｍ。摩 擦副的接触面积为 ４５２. ３９ ｍｍ ２ 。在进行摩擦试验之 前， 使用抛光纸将锡青铜盘的摩擦表面抛光处理至表 面粗糙度 Ｒａ （０. ９４±０. ０５） μｍ。

使用武汉海马科技开发有限公司生产的 ＣＢＺ－１ 摩擦磨损试验机进行摩擦学性能测试， 如图 ４ （ ａ） 所示， 该试验机由主机旋转系统、 数据采集及处理系 统组成。 

试样被固定在装有蒸馏水的水槽内， 锡青铜盘被 固定在旋转主轴上， 如图 ４ （ ｂ） 所示。在试验过程 中， 通过主轴的旋转和下压实现表面对摩试验， 再通 过传感器分别采集压力、 扭矩、 转速的实时数据， 输 入到计算机中利用 ＬａｂＶＩＥＷ 系统通过以下公式计算 每秒的摩擦因数：

式中：μ 为摩擦因数；Ｔ 为扭矩 （Ｎ·ｍ）；Ｆ 为 摩擦力 （Ｎ）；ｒ 为试样旋转半径 （ｍ）。 

考虑到轴承实际工况和美国军工测试标准， 试验 中使用 ０. ３ 和 ０. ５ ＭＰａ 的固定载荷。电机主轴转速分 别为 ５０、 １５０、 ２５０、 ３５０、 ４５０ ｒ／ ｍｉｎ。在试验开始前 进行 １０ ｍｉｎ 预磨， 避免因磨合阶段导致的误差。之 后每 １５ ｍｉｎ 做一次变速， 转速先升后降。试验时长 为 １３５ ｍｉｎ （不计预磨）。为保证试验的可重复性， 在相同条件下重复 ２ 次。 

试验前后， 分别用无水乙醇清洗样品并烘干， 利 用高精度电子天平测量复合材料试样的质量， 以计算 其磨损量。试验后， 使用 ＶＥＧＡ３ 型电子扫描电镜和ＬＩ 型激光干涉式表面轮廓仪 （由华中科技大学生产） 观察磨损面的形貌， 并分析磨损机制。

1.3 材料力学性能表征

使用 Ｎｅｘｕｓ 智能型傅里叶变换红外光谱仪 （由美 国热电尼高力公司生产） 检测水凝胶的结合情况。使用邵氏硬度计 （由浙江乐清艾德堡仪器有限公司 生产） 测量复合材料的邵氏硬度， 结果如表 ２ 所示。可见， 除试样 Ｈｙ－１ 的硬度相比 ＴＰＵ 有所下降外， 其 他复合材料的硬度均有所提高。这是因为基体硬度较 低， 水凝胶与基体混合后可以起到硬质点的作用， 从 而增强材料的力学性能；然而由于水凝胶与基体之间 结合强度较低， 这会在一定程度上影响水凝胶对于基 体硬度的增强效果， 因此当添加量较低时， 水凝胶无 法有效地提升基体的硬度；当添加量进一步增加时， 数量众多的水凝胶可以很好地分散在基体中， 起到非 常有效的增强作用。

综上所述可知， 向 ＴＰＵ 试样基体材料中加入水 凝胶材料可以增强材料的水合润滑从而降低材料的摩擦因数。这是因为水凝胶是亲水性材料， 而亲水基 团在水中会因电离而带有电荷， 可以与极性的水分子 相结合， 形成水合层。水合层中的水分子与电离的亲 水基团之间以电荷吸附的形式相结合， 脱水能大， 水 分子的脱附相对困难， 所以水合层可以承受较大的法 向载荷， 从而改善摩擦副接触表面的润滑状态， 改善 材料的摩擦性能。 

综上， 在 ０. ３ ＭＰａ 载荷下， Ｈｙ－４ 试样在各个转 速下摩擦因数都最优；在 ０. ５ ＭＰａ 下， 转速较低时 Ｈｙ－４ 试样的摩擦因数最优， 高转速下则是 Ｈｙ－８ 试 样最优。 

2.3 磨损性能分析

图 ７ 示出了不同工况下试样的磨损量。可以看 出， 水凝胶／ ＴＰＵ 复合材料试样的磨损量远低于纯 ＴＰＵ 试样。在 ０. ３ ＭＰａ 下， 磨损量随着水凝胶含量的 提升而降低， 而在 ０. ５ ＭＰａ 下， Ｈｙ－４ 试样的磨损量 最低。

图８示出了在 ０.３ 和 ０. ５ＭＰａ工况下部分水凝胶／ＴＰＵ复合材料的ＳＥＭ磨损表面形貌。从图８（ａ）、（ｂ）中能够发现ＴＰＵ试样的磨损表面上有层状磨痕，极大地破坏了表面的光滑度并导致摩擦因数和磨损量的增加。这是由于润滑水膜的厚度较薄且没有任何自润滑添加剂，导致了对摩副的磨损较为严重。从图 ８（ｃ）、（ｄ）中可以发现Ｈｙ－４ 试样拥有比ＴＰＵ材料 更加光滑的磨损表面，说明通过添加水凝胶可以加强材料的水合润滑，从而有效地改善复合材料的光滑度。由于试样的硬度比铜环小，在摩擦副的黏着效应作用下产生了微小变形，再通过循环接触应力的作用，试样表面被磨破，因此材料的主要磨损形式是黏着磨损。图 ８（ｅ）、（ｆ）显示，水凝胶的膨胀会在样品表面上留下一些微孔，且载荷越高，微孔越多，这可能在摩擦过程中引起局部变形，导致Ｈｙ－８ 试样的 磨损率较高。