海水润滑聚合物-金属界面纳米结构转移膜对腐蚀磨损行为的影响机制

Passive metallic materials lubricated with seawater suffer from interactive effects of corrosion and wear, for which the life span and reliability of relevant motion components in marine engineering equipment are significantly lowered. It is thus of great importance to solve the problems caused by tribocorrosion. In comparison to conventional metal-metal friction pairs, polymer-metal pairs exhibit superior tribological performance for numerous applications exposed to dry and boundary lubrication conditions. In this work, functionalized hydrolysable nanoparticles are added into interpenetrating polymer network matrix. It is expected that hydrolysis of the functionalized nanofillers occurs on the friction interface, and thereby leads to formation of a load-bearing tribofilm. The tribofilm exerts a good lubricating role by separating direct contact of the rubbing pair. Besides, the tribofilm covering the steel counterface can mitigate significantly the interaction of corrosion and wear. Effects of the functionalized nanoparticles on tribocorrosion behaviors of the friction pairs will be comprehensively investigated using a triboelectrochemical testing system. In particular, nanostructures and properties of the tribofilms will be deeply characterized. It is the objective of this project to shed light on formation and function mechanisms of the tribofilms. It is believed that the output of this work will establish new fundamentals in regard of polymer tribology. What’s more, the present work will provide new concepts for developing high-performance motion components subjected to seawater environments.

海水润滑运动机构中金属材料的磨损、腐蚀及其交互作用可显著缩短海洋工程装备中运动机构的使用寿命，降低其可靠性。本选题针对海水介质中运动机构的腐蚀磨损问题，基于聚合物复合材料-金属摩擦副的设计理念，在互穿网络聚合物中引入功能化改性可摩擦水解纳米颗粒，调控界面摩擦化学，促使金属对偶表面生成兼具边界润滑能力和增强钝化作用的转移膜，显著降低聚合物复合材料的摩擦与磨损，同时有效抑制金属对偶腐蚀与磨损的交互促进。拟采用电化学腐蚀摩擦磨损测试设备系统考察纳米颗粒摩擦水解反应对摩擦副腐蚀磨损行为的影响规律，借助先进的材料表面分析技术定量研究界面生成转移膜的纳米结构与微/纳尺度性能，揭示转移膜的生长机理及其改变摩擦副宏观腐蚀磨损行为的作用机制，深化对海水润滑界面物理化学作用本质的理解，获得高性能转移膜的构筑原则。预期研究结果可丰富聚合物摩擦学理论，为海水润滑相关运动机构的摩擦学设计提供新思路和新途径。

水利、水电和船舶装备中越来越多的运动机构直接采用水作为润滑剂，可降低摩擦副设计和维护成本、避免因润滑油泄露导致的水资源污染，具有重要的经济和环保意义。聚合物材料由于其自润滑特性、化学稳定性高和性能可设计性强的特点，作为水润滑轴承材料具有重要潜力。互穿网络聚合物（IPN）通过不同单体聚合物之间的强迫互容、界面互穿、协同作用达到均聚物及其它聚合物合金难以达到的效果，为制造特殊性能的聚合物材料提供了崭新的途径。.本项目系统考察了EP和PU的分子摩尔比对分子互穿网络和相分离结构的影响规律，研究了IPN微观结构与其宏观摩擦学以及力学性能的关联，得到最佳结构的IPN材料。在此基础之上，在IPN基体中同时引入增强填料和可摩擦水解纳米颗粒，系统考察了纳米颗粒及其耦合对复合材料摩擦学性能的影响，利用先进的研究手段深入研究了界面生成转移膜的纳米结构，深化了对水润滑界面复杂物理化学作用的理解。本研究得到如下结论：.1..PU/EP IPNs的微观结构与组分的化学计量比密切相关。证明了EP和PU网络形成互穿网络结构。与传统的改性聚合物不同，将30wt.%的PU加入到EP可以同时提高聚合物的模量、拉伸强度和冲击强度以及延展性。通过优化调控IPNs微观结构作为高性能摩擦材料在水润滑条件下具有很高的应用潜力。.2..可水解纳米颗粒(BN,SiC)的加入，都有效的提高了PU/EP IPN聚合物复合材料的模量，结果表明单一2vol.% BN、2vol.% SiC可水解纳米颗粒加入聚合物复合材料具有最高的模量，且具有最佳的亲水性。.3..采用SiC可水解纳米粒子和SCF增强PU/EP IPN复合材料可以有效的提高其耐磨性能。证明了SiC的水解反应，并在钢表面上的形成的转移膜中发现反应产物的（SiO2和H2SiO5）存在，其可以增强钢表面转移膜的弹性从而抵抗摩擦过程中的切向应力。.本项目研究结果丰富了聚合物摩擦学理论，为海水润滑相关运动机构的摩擦学设计提供新思路和新途径。