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摩擦学领域的研究进展和发展趋势李久盛（中国石油兰州润滑油研究开发中心，甘肃兰州730060）摘要：对近年来摩擦学研究领域的相关文献进行了调研、汇总和分析，主要涉及的内容有：对摩擦学发展趋势的预测和分析，摩擦化学研究的新方法、新理论和新仪器，边界润滑下不同类型添加剂的作用机理等。
在此基础上，结合油品发展趋势对摩擦学今后的关注点进行了总结和展望。
关键词：摩擦学；边界润滑；极压抗磨剂；摩擦化学反应Status and Develop Trends of Tribology Research FieldLI Jiu-sheng(PetroChina Lanzhou Lubricating Oil R&D Institute, Lanzhou, 730060)Abstract:In this paper, many references concern about tribology research field were collected and analyzed. The main contents include the forecast and analysis of develop trends in tribology, new methods, theory and analyzer for tribochemical studies, and the mechanism of different kinds of additives in boundary lubricating state. Base on the above, the develop trends of tribology field were summarized and previewed.Key Words: Tribology; Boundary lubrication; EP/A W Additive; Tribochemical Reaction 摩擦学((tribology)是一门研究相对运动的表面及相关行为的技术科学，包括研究摩擦、磨损和润滑。
摩擦学研究进展摩擦学即是研究摩擦现象的学科，涉及到材料的摩擦力学、表面和界面科学、纳米科技等多个领域。
摩擦是普遍存在的自然现象，不仅影响着我们日常生活中的各种事物，而且也对多种技术和行业产生着重要的影响。
摩擦学的研究不仅有助于我们更好地理解自然现象，而且对于新材料的研发和产品的开发也具有重要的意义。
本文将从三个方面对摩擦学研究的进展进行介绍。
I. 摩擦力学摩擦力学是摩擦学的基础科学，主要研究摩擦力的本质、性质、变化规律等。
过去的研究表明，不同材料之间的摩擦系数存在差异，同时还受到接触压力、温度、表面形貌等多种因素的影响。
随着研究的深入，人们发现了一些在摩擦中起关键作用的物理现象，如阻尼效应、界面化学反应等。
同时，在实际应用中，人们也开始关注摩擦力的降低问题，提出了一些有效的技术手段，如润滑剂的使用、材料表面改性等。
这些进展不仅有助于我们更好地理解摩擦现象，而且也为提高产品的效率和品质提供了重要的技术支持。
II. 表面和界面科学表面和界面科学是摩擦学的重要分支，主要研究材料表面和界面现象的本质、机理和应用。
在过去的研究中，人们发现材料表面的形貌、化学组成等特性对摩擦行为有非常显著的影响。
随着纳米技术的发展，表面和界面科学研究中涉及的问题也越来越小，从而引出了润滑纳米液体、摩擦场等新的研究方向。
同时，界面化学反应、表面改性等技术的出现也为材料设计和表面加工提供了新的思路和方法。
III. 纳米摩擦学纳米科技是摩擦学的新兴研究领域，主要研究在纳米尺度下材料的摩擦行为和力学性质。
近年来，随着纳米技术的快速发展，人们已经开始具体地研究纳米尺度下的摩擦问题。
研究表明，在纳米尺度下的材料摩擦行为不同于宏观尺度下的情况，纳米表面的化学反应和量子效应等因素开始显示出重要影响。
因此，纳米摩擦学的研究不仅有助于我们更好地理解材料摩擦现象，而且也为研发新材料和开发新产品提供了重要的技术支持。
结论摩擦学研究的深入发展为我们理解自然现象和提高生产效率提供了巨大的帮助。
基于纳米材料的海洋工程轴承的摩擦学性能研究引言：随着海洋工程的迅速发展，海洋工程轴承作为重要组成部分，在保证设备正常运行过程中起着至关重要的作用。
然而，由于海洋环境的特殊性，传统轴承材料在长期水下工作条件下往往存在着摩擦磨损等问题。
近年来，纳米材料的广泛应用为解决这一问题提供了新的途径。
本文旨在对基于纳米材料的海洋工程轴承的摩擦学性能进行系统研究，探索其在海洋环境下的应用前景。
1. 研究背景纳米材料具有高比表面积、优异的力学性能和化学性质等特点，逐渐成为海洋工程轴承研究的重点领域。
目前，研究者们主要从以下几个方面开展研究工作：1.1 纳米材料在轴承表面改性中的应用通过在轴承表面引入纳米材料，可以提高摩擦学性能和耐磨性，减少摩擦磨损。
例如，纳米润滑剂的应用可以形成滚动稳定膜，降低磨损。
1.2 纳米材料增强轴承材料的力学性能将纳米材料添加到轴承材料中，可以显著增强材料的强度、硬度和耐久性。
纳米颗粒的引入可以增加晶界、阻尼效应和位错密度等，从而提高材料的综合性能。
1.3 纳米材料对海洋环境的适应性研究纳米材料在海洋环境中的性能稳定性、耐蚀性和抗海洋生物附着性等特点也成为研究的焦点。
确保纳米材料在海洋环境中能够长期稳定运行，是工程应用的前提。
2. 纳米材料应用在海洋工程轴承中的摩擦学性能改善传统轴承在海洋环境中往往受到水下摩擦磨损的限制，降低了轴承的使用寿命和运行效率。
而基于纳米材料的轴承涂层和添加剂可以显著改善摩擦学性能，提高轴承的使用寿命和运行效率。
2.1 纳米润滑剂在轴承涂层中的应用通过在轴承表面涂覆纳米润滑剂，可以形成一层光滑的润滑膜，降低轴承的摩擦系数和磨损率。
例如，石墨烯、二氧化硅等纳米材料的应用可以有效减少轴承的摩擦。
2.2 纳米材料添加剂在轴承油脂中的应用将纳米材料添加到轴承油脂中，可以有效降低轴承的摩擦系数和磨损率。
纳米颗粒在运行过程中可以填充微小摩擦表面的凹坑，形成平整的润滑膜，改善轴承的摩擦学性能。
摩擦学相关材料的研究与应用摩擦学是材料科学中的一个分支，它研究的是物体之间的相互作用及其力学特性。
摩擦学相关材料的研究和应用已经走过了漫长的历程，并且在许多领域发挥着重要作用。
一、摩擦学的背景和意义在现代工业和科技中，摩擦现象无处不在。
磨损、摩擦、润滑等现象影响着机械设备和工具的性能、使用寿命和安全性。
因此，研究摩擦学对提高机械设备和生产效率非常重要。
研究摩擦学的根源可以追溯到古代。
人类在使用工具的过程中逐渐发现了石头与木头之间的摩擦现象。
直到今天，摩擦学研究仍然是一个不断发展的领域。
二、摩擦学相关材料的研究现状和进展材料科学的进步推动了摩擦学相关材料的研究。
材料科学家不断地开发新材料，以满足工业和科技领域对高效、可靠、低成本设备的需求。
1. 摩擦材料的研究摩擦材料的研究包括各种摩擦副材料的磨损、摩擦、润滑和热稳定性研究。
其中最重要的是新型复合材料的研究，这些复合材料中包含了各种特殊纳米结构，比如纳米纤维等。
这些新型材料的应用为工业生产带来了更加高效和环保的机械和设备。
2. 摩擦材料的应用在众多应用中，摩擦材料的应用最为广泛。
目前，摩擦材料已应用于汽车、火车等交通工具、电子仪器、消费品制造等领域。
例如，新型润滑剂及其生产产品、摩擦防风润滑材料、轴承、热稳定性润滑膜材料等。
除此之外，摩擦材料的研究还有助于其他领域的研究，比如纳米技术和磁学技术等领域。
三、总结近年来，摩擦学相关材料的研究和应用在科技和工业中扮演着越来越重要的角色。
材料科学家们不断推陈出新，各种新型材料不断涌现，为科技和经济发展助力。
随着摩擦学相关材料的不断创新和不断应用，相关领域的技术和产业将持续发展，为社会经济进步做出更大的贡献。
摩擦学的进展和未来一、本文概述摩擦学，作为一门研究物体间接触表面相互作用及其产生的摩擦、磨损和润滑现象的学科，自其诞生以来就在工业、交通、能源、生物医学等众多领域发挥了至关重要的作用。
随着科技的不断进步，摩擦学的研究也日益深入，新的理论、技术和应用不断涌现。
本文旨在全面概述摩擦学领域的最新进展，并展望其未来发展方向。
我们将回顾摩擦学的发展历程，从最初的经典摩擦理论到现代的纳米摩擦学、生物摩擦学等新兴分支。
接着，我们将重点介绍摩擦学在材料科学、机械工程、航空航天、生物医学等领域的最新应用，如高性能涂层材料、纳米摩擦调控技术、智能润滑系统等。
我们还将讨论摩擦学在能源转换与存储、环境保护、可持续发展等全球性问题中的重要作用。
在展望未来部分，我们将分析摩擦学领域的发展趋势和挑战，如跨学科融合、技术创新与产业升级等。
我们还将探讨摩擦学在智能制造、新能源、生物医疗等领域的发展前景，以及其在推动社会进步和可持续发展中的潜力。
本文旨在全面梳理摩擦学的进展和未来，以期为该领域的研究者、工程师和决策者提供有益的参考和启示。
二、摩擦学的基础理论摩擦学，作为一门研究物体表面间相互作用和摩擦现象的科学，其基础理论涉及多个学科领域，包括物理学、化学、材料科学和力学等。
这些基础理论为摩擦学的发展提供了坚实的支撑，同时也为未来的探索提供了新的思路。
接触力学理论：接触力学是摩擦学的基础，主要研究物体表面的接触行为和接触应力分布。
该理论通过研究接触表面的形貌、材料属性和载荷等因素，揭示了接触界面上的应力分布规律，为摩擦学的研究提供了重要的理论基础。
弹塑性理论：弹塑性理论主要研究物体在受力作用下的变形行为，包括弹性变形和塑性变形。
该理论为摩擦学提供了关于材料表面在摩擦过程中变形和损伤机制的重要认识，有助于深入理解摩擦现象的本质。
摩擦热学：摩擦过程中，由于摩擦力的作用，物体表面会产生大量的热量。
摩擦热学主要研究摩擦过程中的热量产生、传递和消散等问题。
第33卷第4期摩擦学学报Vol33No4 2013年7月Tribology July，2013海洋结构物摩擦学问题的研究进展周婷婷1，2，牟明磊1，2，白秀琴1，2，严新平1，2，袁成清1，2*（1．武汉理工大学能源与动力工程学院可靠性工程研究所，湖北武汉430063；2．武汉理工大学船舶动力工程技术交通行业重点实验室，湖北武汉430063）摘要：海洋结构物主要包括海上钻井平台、油气开采平台、FPSO、海底输油管线及海上大型储油罐等大型海上结构物．海洋结构物总是处于波浪、海流、风暴、海冰等严峻海洋环境中，并受到海生物污损、海洋腐蚀、磨损等多方面因素相互作用的影响，摩擦学问题无处不在．论文针对海洋平台结构、流体处理及运输设备、定位设备及作业设备四方面的摩擦学问题进行论述，主要介绍了海洋平台结构、管道系统及海水泵、锚链及螺旋桨、钻井套管及电潜泵等海工设备的工作特点，概述了国内外关于这类海工设备的摩擦学问题的研究现状，并对海洋结构物的摩擦学研究重点进行了展望．关键词：海洋平台结构；管道系统；锚链；螺旋桨；钻井套管；泵；摩擦；磨损中图分类号：TH117．1文献标志码：A文章编号：1004－0595（2013）04－0420－09Research Progress in Tribological Problems of Ocean StructureZHOU Ting－ting1，2，MU Ming－Lei1，2，BAI Xiu－qin1，2，YAN Xin－ping1，2，YUAN Cheng－qing1，2*（1．Reliability Engineering Institute，School of Energy and Power Engineering，Wuhan University of Technology，Wuhan430063，China2．Key Laboratory of Marine Power Engineering＆Technology，（Ministry of Transport），Wuhan University of Technology，Wuhan430063，China）Abstract：The offshore structure includes the offshore drilling platform，oil and gas exploitation platform，FPSO，the submarine pipeline and the large oil tank，etc．The offshore structure is affected by the severe ocean environment（such as the wave，ocean current，windstorm，the frigid sea ice）and suffered the biofouling and the ocean corrosion．The tribological problems of the offshore platform structure，fluid handling and transporting equipment，the locator device and operation equipment were discussed in this paper．The tribological characteristics of the marine equipments（such as the offshore platform structure，the pipeline system and sea water pump，the mooring chain and propeller，the well casing and electric submersible pump）were presented．The overseas and domestic research status about the tribological problems of the marine equipments were summarized，the main tribological problems of ocean structure were prospected and presented in the paper．Key words：offshore platform structure，pipeline system，mooring chain，propeller，well casing，pump，friction，wear摩擦学问题在各个领域都存在，只要是两个相互接触的物体发生相对运动，就会产生摩擦．随着海洋石油的不断勘探，海洋平台、浮式生产储存卸货装置（FPSO）等大型海上结构物发展迅速，由于海洋环Received9November2012，revised28December2012，accepted27February2013，available online28July2013．*Corresponding author．E－mail：ycq@whut．edu．cn，Tel：+86－27－86554969．The project was supported by the National Natural Science Foundation of China（51079116）and the Fundamental Research Funds for the Central Universities（2012－11－018）．国家自然科学基金（51079116）和中央高校基本科研业务费专项资金（2012－11－018）资助．境的恶劣性，人们对这类海工装备的性能要求越来越高．此类海工装备在作业期间常常伴随着摩擦学问题，诸如海洋平台结构与海流、海冰、海沙间的摩擦；钻采设备套管与钻杆间的摩擦，电潜泵叶轮及轴承与沙粒间的摩擦；系泊链环间的摩擦；运输设备中的泵、阀、管道间的流体摩擦；乃至结构连接件和钢缆绳在振动情况下发生的微动摩擦，这些摩擦问题往往导致结构、设备的磨损和疲劳损坏，而它们又长期处于腐蚀性很强的海洋环境下，磨损和腐蚀的协同作用严重威胁到它们的安全可靠性．所以研究海洋结构物的摩擦学问题具有重要的现实意义．1海洋平台结构摩擦学问题海洋平台是海洋结构物之一，其结构与风浪、海流、泥砂、海冰相互接触，发生相对运动，存在着摩擦；结构与连接件之间紧密接触，在遭受激烈振动后也会发生微动磨损，目前国内外研究的海洋绿色防污也是绿色摩擦学的范畴，虽然这些摩擦学问题在海洋平台上表现并不突出，但不可否认它们的存在．目前国内外针对海洋环境荷载下的平台结构疲劳损伤研究较多，关于摩擦引起的损伤很少提到．1．1海冰与结构物间的摩擦磨损在风和海流的驱使下，海冰将产生运动，使得位于南极区或靠近南极区的固定式海上结构物受到浮冰或大面积冰块的作用力．海冰与结构物之间发生相对运动时产生摩擦力，有时候，风和海流的作用使碎冰可能发生沿结构上爬的现象，这样结构物较容易产生磨损．对于海洋结构物设计来说，冰对结构物的直接作用力必须考虑进去，同时也应该考虑结构物的磨损，保证结构物在寿命期间达到某种可接受的机械力水平．国内外海冰与结构物间的摩擦磨损问题研究较少，国外研究人员积极研究冰与近海结构物相互作用机制，Sodhi在顺应式结构物和淡水冰盖间进行小比例的压痕测试．在冰与结构物表面安装网格触觉式传感器测量两物体相互作用期间形成的压力，认为这种压痕测试与实际条件下的冰结构物相互作用机制类似［1］．Moslet进行了中比例的冰挤压测试，认为结构物的形状是限制冰作用力的重要影响因素，通过数值模型的敏感性分析，得出冰与结构物间的摩擦系数对冰荷载影响很大，认为滑动阻力会产生张力导致冰荷载降低［2］．有人针对混凝土结构与冰之间的磨损现象进行研究，指出磨损的形成条件是碎冰层的运动，通常在结构物与冰的接触面上观察得到．但是由于冰对结构物的压力，碎冰层又会被挤出接触区域［3］．而这种运动主要受制于结构物与冰之间的摩擦状况，对于混凝土结构来说，摩擦状况是混凝土对冰块本身的摩擦和混凝土的磨损．从测试中可以看出混凝土接触表面的磨损部位，同时也反映了冰块的摩擦状况［4］．为了更精确描述混凝土结构磨损特性，Bruno进行了精确摩擦测试，缩小混凝土结构和冰块的尺寸，将Portland CEM I42．5黏合剂、0．2 0．6mm晶粒大小的细砂、3 5mm的粗砂和水按照不同比例混合，制成175mmˑ150mmˑ15mm的混凝土板，并在低温条件用水制成直径60mm、高90mm的冰块，旨在研究混凝土结构光滑和粗糙表面上的冰摩擦特性和混凝土结构与冰接触面的物理机制．研究结果认为混凝土结构的磨损有两种机制：一种是普通磨损，即在磨损颗粒沿着表面运动过程中，混凝土结构里的水泥浆和小型聚合物会渐渐受到侵蚀．另一种是灾难性磨损，经过普通磨损后，水泥浆和聚合物的粘合性减弱，聚合物突然从表面喷出．针对海冰包覆环境，该实验用材简单，易于观察，可以反映出结构磨损状况与混凝土结构聚合物性质紧密相关，但是冰块与结构物的接触状况还需进一步研究，需要获取更为精确的磨损过程认证［5－6］．1．2桩腿与连接件间的微动磨损在自升式钻井平台桩腿的设计中，桩腿接头中的连接螺栓是装卸桩腿中的重要组成部分，普通螺栓与螺栓孔之间有间隙，它是靠结合面间的摩擦力来承受工作载荷的．工作时，只有当结合面间的摩擦力足够大才能保证连接件之间不会发生相对滑动．螺栓联接采用三角形螺纹时，由于标准螺纹升角比较小，而当量摩擦角较大，联接具有自锁性．在静载荷作用下，工作温度变化不大时，这种自锁性可以防止螺母松脱．如果联接是在冲击、振动、变载荷作用下或工作温度变化很大时，螺栓联接则可能松动，联接松脱往往会造成严重事故［7］．实际上，螺栓在振动情况下很容易发生较小的滑移运动，虽然在平台结构设计中已充分考虑了螺栓的预紧力，但是长期处于振动环境下，螺栓与桩腿之间发生反复的轻微运动，这样很容易发生微动磨损．在含有腐蚀性介质的海洋环境下，海浪容易溅入间隙中，引起桩腿和螺栓的内部腐蚀．腐蚀与微动磨损两者的协同作用，很可能导致螺栓疲劳断裂，严重威胁到桩腿的稳定性．20世纪70年代Waterhouse［8］就提出了微动疲124第4期周婷婷，等：海洋结构物摩擦学问题的研究进展劳破坏极限的概念，将微动损伤分为微动磨损、微动疲劳和微动腐蚀3种基本形式．认为微动作用通常使材料疲劳极限降低20% 50%．微动疲劳是铆接件和榫槽等紧配合部件的常见失效形式．然而，在螺栓的疲劳失效破坏中，由于材质或加工缺陷导致其失效的现象较为多见，而对于螺栓孔与连接件接触面上由微动作用引发疲劳失效的研究报道较少．王胜霞等［9］对某构件进行疲劳性能试验，结果连接螺栓发生断裂，通过断口宏微观观察、金相组织检查、硬度及化学成分检测发现连接螺栓的断裂性质为微动疲劳．北京航空工程技术研究中心吕凤军和傅国如通过观察某飞机的对接螺栓裂纹及其断口特征，发现靠近螺栓头内端面的表层裂纹为微动疲劳裂纹，接触表面摩擦力引起的切向应力是微动疲劳裂纹萌生和扩展的主要原因［10］．Ibrahima在文献［11］中提到结构物节点可以看做是接触表面发生相对运动时的能量消耗的最初来源，各部件间发生剪切和扭转时产生的摩擦应力是由螺栓的张力和摩擦系数决定的．这也是引起结构物磨损和能量损失的根本原因．国内周仲荣和朱旻昊在微动摩擦领域具有较高的成就，主要致力于航空、铁路、生物领域微动摩擦的研究工作，总结了机械工程领域的微动磨损理论，这为海洋平台结构连接件的微动疲劳及磨损的研究奠定了基础．1．3海生物附着导致的界面摩擦学问题新建造的海洋石油平台在下海后很快就会附着上大量的海洋污损生物，污损生物的附着、生长不仅增加了导管架平台桩腿的体积和粗糙度，显著增大波浪所引起的动力载荷效应，而且由于改变了原有的界面状态，在风暴和风浪条件下，其界面的摩擦磨损行为也大大改变．同时，还能改变金属的腐蚀过程，引起局部腐蚀或穿孔腐蚀［12－13］，在摩擦磨损的协同作用下，导致严重的腐蚀磨损问题．因此，要防止海生物附着引起的界面摩擦学问题，其关键是解决海洋平台的污损生物附着问题．研究表明，污损生物附着过程大致分为4个阶段［14］：第一个阶段是蛋白质、多糖等可溶性有机碳在材料表面吸附形成条件膜；第二个阶段是细菌等原核微生物的附着和生物膜的形成；第三个阶段是真菌和藻类等生物的附着；最后是大型污损生物藤壶、牡蛎和贻贝等的附着．条件膜的形成不仅改变材料表面的物理化学性质，也影响后期细菌和微藻等的附着［15］；生物膜在材料表面的形成情况及性质决定了后续大型生物的附着情况［16］．若前期生物膜演替过程被阻止则后续大型污损生物的附着将被阻止．为了防控材料表面初期微生物污损，Bongaerts 等致力于抗蛋白质表面涂层的研究，这种涂层具有耐磨损、耐降解和良好的水润滑特点．他们认为含有聚二甲基硅氧烷（PDMS）表面的壳聚糖和透明质酸的聚合电解质可以形成较好的润滑膜，从人类唾液获得的多层润滑膜比疏水和亲水性PDMS表面更能耐磨，防止蛋白质吸附效果更好．在水润滑条件下覆有多层PDMS涂层基质间的边界摩擦系数非常低，大约0．01．这层膜能强烈抵制干摩擦和水润滑条件下几小时的摩擦试验．他们还发现当将负磷酸盐离子加入水中时，带负电荷的亲水PDMS表面的界面润滑特性降低，即从一个数量级降到0．01．这为生物润滑提供了一个新思路，壳聚糖和透明质酸聚合电解质多层膜具有较低的摩擦系数，较好的防污和耐磨损特性［17］．抗蛋白质表面涂层大都应用于生物产品和医药机械中，海洋工程领域应用广泛的还是低表面能防污涂料．低表面能防污涂料指基于氟碳树脂及有机硅化合物的低表面能防污涂料．其共同的特点是不含毒料，表面能都非常低．目前国内中国科学院兰州化学物理研究所田军等、中国海洋大学、中国科学院福建物质结构研究所二部、武汉材料保护研究所等高校及企业都在研究低表面能海洋防污涂料，并发明了许多新型专利．国外美国海军研究室、美国道化学公司的Schmidt及其合作者近年来也在研究新型的低表面能防污涂料［18］．随着仿生学的发展，结构仿生防污技术应运而生．目前，结构防污技术的仿生对象大都局限在鲨鱼、海豚等大型海洋动物上．研究的重点和热点主要集中在寻找防污高分子材料，通过对鲨鱼等大型海洋动物表皮形态进行抽象、放大和简化仿形加工出各种人工表面几何形貌．国内邵静静等［19］致力于鲨鱼皮仿生防污研究，武汉理工大学可靠性工程研究所白秀琴等［20］进行了基于贝壳表面形貌仿生的船舶绿色防污研究，国防科学技术大学钱斯文［21］提出了一种低表面能与表面微结构相结合的仿生防污新方法，据此开展了新型仿生防污涂料的研究工作．国外Hills研究小组设计了一系列的人工表面，分析模拟大型海洋动物表皮．2流体处理及运输设备摩擦学问题在海洋环境下，管道、海水泵、叶轮、阀门、热交224摩擦学学报第33卷换器以及其他流体处理及运输设备常常遭受严重的腐蚀磨损，调查显示，这类腐蚀磨损在油气工业腐蚀比例中位于第五．造成腐蚀磨损的原因是流体夹带着的沙粒磨损和气泡空穴腐蚀．企业每年要花大量资金去减轻这类腐蚀磨损引起的损坏．国内外相关人员也为此纷纷展开研究．2．1管道系统腐蚀磨损海上油气生产系统中的不同部件常常遭受来自海水、CO 2、H 2S 和砂粒的侵蚀，侵蚀很可能发生在含有砂粒或固体颗粒的系统某部位，砂粒或固体颗粒的速度决定了侵蚀程度．对于含有高速流动的气体凝析物系统来说，在弯管处很可能发生凝液侵蚀．DNV RP O501－REVISION 4．2－2007文件对光滑管道和垂直管、弯管、焊缝节点、三通、变径管和集流管等部位的砂粒磨损率进行了评估，强调气体速度不应高于70 80m /s ，如图1和图2所示为一些部件磨损区域［22］．Fig．1Schematic drawing of wear area in a welded joint ［22］图1焊缝磨损区域示意图［22］流体对管道上的阀内件（阀座、阀芯）的磨损、侵蚀一般有以下4种形式：颗粒性介质的磨粒磨损、腐蚀性介质的侵蚀、高流速液体的冲击损坏以及液体发生气蚀和闪蒸时造成的毁坏．张景轩和石磊［23］对常见的控制阀内件磨损现象进行了总结，着重分析了高压差气蚀及腐蚀性介质场合的阀件磨损．大量科学研究表明，腐蚀介质中的固体颗粒以及介质流速对材料的腐蚀磨损性能有较大影响．根据固体颗粒对基体材料切削或微切削的作用以及固体颗粒对材料冲击的情况，人们提出了各种模型．Sundararajan 对此作了深入研究，并提出了固体颗粒形状、含量、冲击速度和冲击角对腐蚀磨损影响的复合模型［24］．2．2海水泵污染磨损为满足大深度海洋石油开采的需要，水下作业常使用海水泵，海水泵是海水液压系统中的关键元件，它是海水液压系统中的执行器，海水泵性能的优劣直接影响海水液压系统的工作可靠性．由于海水是一种复杂的多种盐类的平衡溶液，黏度低、腐蚀性强、汽化压力高，海水泵的关键摩擦副发生污染磨损的现象很普遍，这种现象可能是气蚀、腐蚀、颗粒磨损等相互影响及加剧的磨损过程．华中科技大学机械学院电液所晏小伟和杨曙东［25］采用多信息综合的方法，将海水杂质的重要磨损尺寸、特征参数和海水泵关键运动摩擦副间隙状况以及海水泵的污染磨损控制有机地结合起来，对海水泵污染磨损机理进行研究．文献［26］提到海水泵滑靴副的磨损机理主要是黏着磨损、磨粒磨损、冲蚀以及腐蚀磨损等，后三种磨损形式是因海水中污染物引起的，统一归属于污染磨损，在海水泵滑靴副磨损失效中起主导作用．控制污染磨损是海水泵滑靴副设计成败的关键．实践初步证明，通过合理的选材、结构设计以及污染控制措施是可以有效解决海水泵滑靴副面临的严重污染磨损这个难题的．He 等［27］主要研究适用于水下作业的海水液压活塞泵，为了提高活塞和套筒在海水润滑下的耐磨损和耐腐蚀性能，将碳纤维增强聚醚醚酮注入到套筒内部，合成WC 用于活塞，以此提高其表面硬度．并在试验台上进行了泵的基本性能和可靠性试验，轴部件被证实达到非常好的平衡效果．在10MPa 的额定压力和Fig．2Schematic drawing of wear area in blinded Tee ，flow reducer ，bend pipe ，header ［22］图2三通，流量减压器，弯管，集流管磨损区域示意图［22］324第4期周婷婷，等：海洋结构物摩擦学问题的研究进展14MPa 的最大压力情况下，泵具有相对较高的效率．经过300h 的耐久性试验，活塞和套筒和其他的部件也一样并没发现过度磨损，而且也没有明显的性能退化．目前水压传动技术正在向中高压方向发展，适应深海苛刻环境下海水泵的发展要求，端面配流、摩擦副海水润滑的轴向柱塞泵已成为主导型式．具有耐蚀、强度高，特别是摩擦性能好的工程材料是海水泵摩擦件材料的发展方向．3定位设备摩擦学问题3．1系泊链的摩擦磨损随着海洋资源的开发，海洋工程平台、大型海洋工程辅助船舶及相关产业得到快速发展．海洋工程平台、船舶与舰艇在海况十分复杂、深达数百米至数千米的海洋中固定，世界各国都是采用抛系泊链停泊固定，主要方式是系泊链系泊，柔性固定［28］．系泊链都是由许多链环相接而成的，工作环境特别恶劣，除承受平台的静载荷作用外，还承受环境载荷作用，如风力、波浪力和海流力．在这些力的作用下，链环的磨损形式具有多样性，其最重要的磨损机制如图3所示，按接触体划分为一体磨损、二体磨Fig．3Chain wear mechanisms ［29］图3链条磨损机制［29］损和三体磨损，这些磨损机制取决于接触体的数量［29］．一体磨损是指小颗粒冲击链环引起的颗粒侵蚀．由于频繁冲击，链环最终发生磨损．影响这种磨损因素有多种，如钩环硬度，颗粒冲击角等．当某种硬性物体猛撞软性系泊链时，则发生磨粒二体磨损，产生这种情况的原因是一系列正常力作用使这些物体发生相对运动．在船舶行业中当链条固定于海床时，这种磨损机理就转化为接触诱导磨损．如果高应力和低应力同时作用在类似的材料上，则会产生黏着二体磨损．由于较高的接触压力，微型焊接处很容易出现这种磨损现象，再加上相对运动，材料表面将发生退化．在链条的钩环间接触区很容易产生这类磨损．三体磨粒磨损是指一个硬性颗粒夹杂在两个物体之间发生的磨损现象，物体的相对运动和正常作用力使得硬性颗粒转变成剪切性材料．对于链条来说，当沙粒和岩石碎片夹杂在两个钩环之间时，在钩环接触处则易发生三体磨损．还有一种磨损机理是由于环境作用而导致的腐蚀磨损，链条一般都处于海水中，容易发生腐蚀磨损．如果腐蚀磨损与另外任一种磨损发生协同作用，链条将发生严重磨损，极大地减少链条寿命．为适应国际大市场及国内市场的需求，我国部分企业积极开发高级别系泊链，正茂集团就是在国内率先进行相关高级别系泊链的企业之一，正茂集团与江苏科技大学联合申请了江苏省科技成果转化专项资金“海洋工程用高级别系泊关键技术开发与产业化”，江苏科技大学负责高级别系泊链研制的基础研究工作．毛振东［30］对系泊链22MnCrNiMo 钢的热处理工艺、静摩擦磨损性能和动摩擦磨损性能进行了比较系统的研究．喻济兵［31］采用冲击滑动磨损试验装置研究系泊链22MnCrNiMo 钢在冲击载荷作用下的磨损特性，并用电子分析天平、扫描电子显微镜、能谱仪等手段分析材料的磨损规律以及磨痕表面的形貌，认为22MnCrNiMo 钢在冲击载荷的作用下磨损机制主要为剥层磨损．比利时根特大学Steenkistede 等［29］分析比较了主要的链条磨损机制和不同试验装置的优缺点，介绍了几种新型试验装置的设计概念．与传统的试验装置相比，这类新型装置具有普遍性，可以改变各种参数，如链环大小，作用力，侵蚀介质等，这样能更好地模拟沙粒和海水环境共同作用下的链条磨损．他们认为二体接触诱导磨损和三体钩环接触磨损对链条来说更为重要，由于接触诱导磨损机理很容易利用盘销式试验台研究出来，新型试验装置应该集中于磨粒三体钩环接触磨损．同时，新型试验装置可以进行多功能的链条试验，通过改善链条的参数设置（如几何形状和材料性能）以达到降低链条磨损率的效果．3．2钢缆绳的微动磨损随着海上石油工业的不断发展，越来越多地使用钢缆绳来固定海洋平台，但是钢缆绳在海洋大气、盐雾、风雨和海水侵蚀的恶劣环境下，很容易被腐蚀．同时，钢缆绳经受反复拉升和弯曲及动态载荷，424摩擦学学报第33卷钢丝之间经受不同振幅的微动磨损．因此，研究钢缆绳在海洋环境下的微动腐蚀磨损具有重要现实意义．对于海洋环境下的钢缆绳微动磨损，国内研究较少，国外较早就重视到海上钢缆绳存在微动磨损现象，对海水环境下的钢缆微动磨损做了大量实验研究［32－33］．但是近十年内尚没有相关报道．1984年Waterhouse和他的同事调查研究了在空气和BS3900组成的海水条件下单钢丝绳微动磨损行为．他们认为在微动腐蚀中，金属材料的总共损失分别是机械作用损失、电化学损失和机械与电化学协同作用损失，而在机械和电化学协同作用下损失最大．他们又在不同介质、一定范围内的接触载荷下对光亮钢丝绳进行一系列微动腐蚀磨损试验，结果表明：在不含Na2SO3的无氧海水中的钢丝绳磨损率可以降低到无电解液的空气中的磨损率水平；海水含氧量越高，磨损率越高，海水中的钢丝绳磨损量会随着接触载荷增大而增大，但比磨损量几乎不受接触频率和接触载荷的影响．此外，Waterhouse还提出抑制海水环境下钢丝绳微动腐蚀磨损行为的三种方法：镀锌涂层、阴极保护和润滑，并分析了这三种方法对微动磨损的影响．Chaplin［34］对海洋结构物系泊绳和近海自升降绞拧提升绳的几种失效机制进行描述，提出相应的维修和检查方法，认为吊机的钢丝绳发生失效通常是疲劳退化的表现．钢丝绳存在不易看见的内部疲劳，内部疲劳会使得钢丝绳的应力接受水平降至实际张力水平，造成这种情况的机理是在绳索的第一层和第二层之间发生高角度交叉接触，造成微动磨损和微动疲劳．在暴露于空气、盐水交换的腐蚀性环境下，近海吊机提升绳的内部疲劳退化会进一步加快．控制和避免发生这种失效有以下4种方法［35］：①使用耐腐蚀镀锌绳索；②使用有效的再润滑系统，优先使用压力润滑；③对于已经服役很长时间的绳索，采用“滑动和削减”维修方式，主要用于重要部位，设备内部检查和修复区域测试；④采用可视化的电磁NDT系统监测内部退化状况．近年来，国内的王泽爱和周仲荣［36］综述了油、脂润滑减缓微动磨损的条件、作用机制，以及油、脂性能对微动磨损的影响等基础研究的进展．这为钢缆绳正确使用润滑油、脂降低微动磨损指明了方向．3．3动力定位系统螺旋桨磨损为了满足深海地域定位作业的要求，动力定位系统将渐渐地取代传统的锚泊定位系统，其优点是定位成本不会随着水深增加而增加，并且操作也比较方便，动力定位系统的研究越来越具有现实意义［37］．动力定位系统一般由位置及艏向测量系统、控制系统和推进系统组成，然而由于推进系统中的螺旋桨长期浸泡在海水中运转，遭受气蚀问题和海水中各种杂质的腐蚀磨损作用，经常会发生裂纹、磨损、腐蚀和折断等故障．动力定位系统中的设备一旦失控将产生严重后果．所以动力定位系统的螺旋桨涉及到的摩擦磨损问题应当引起人们的重视．大连海事大学朱新河等［38］采用油液监测技术中的光谱分析和铁谱分析技术对船舶油润滑螺旋桨轴的磨损情况进行了监测研究，得到了螺旋桨轴正常状态下主要磨损元素的浓度和主要磨损类型磨粒的显微特征．日本三菱重工、下关船厂、长崎大学等机构的研究人员［39－40］2007年联合发表了系列文章，分析了铜质螺旋桨轴套的腐蚀性磨损问题，进行了海水与淡水的对比性腐蚀试验，并在实船中运用阴极保护法解决这一问题．印度的一家信息方案公司推出一项螺旋桨专利［41］，螺旋桨由空心筒组成，空心筒具有很薄的圆锥表面，重量很轻．薄筒的上部由转轮组成，转轮的上表面焊接叶片．利用螺旋桨滚筒连接叶片的优势是当转轮叶片由于气蚀问题发生磨损和裂纹后可以完整地取下来，然后换新．这为螺旋桨的维修管理提供便利．4作业设备的摩擦学问题4．1套管磨损问题钻井隔水导管是从海上钻井平台下到海底浅层的套管，是钻井作业中要下入的第一层管柱，并且在后期钻井作业中一直起到提供循环通道、支撑井口防喷器、提供油气井经井下到海面通道的作用，隔水导管自身的安全和经济性对钻井作业有很大影响．在海上进行表层钻井时，由于隔水导管的振动加上海流的作用，钻柱与钻井隔水导管之间相互敲击，以致在弃井回收钻井隔水导管时发现个别导管的接头处发生严重的偏磨，磨损深度达10 20mm．隔水导管与钻柱的摩擦问题十分普遍．对这类实际问题的研究，国内大多采用杆柱的振动频率以及杆柱的弹性稳定性研究方法［42］，开展钻柱套管之间的谐振问题的研究，采用和选配合理的钻井参数，以期达到在钻井作业过程中保护套管不致产生过度磨损．董小钧等［43］总结了国内外套管磨损的研究进展．国内关于套管磨损研究大多集中于深井、超深井及大位移井套管磨损机理及预测技术［44－46］，中国石油大学（北京）在国内外首次研制成功了全尺寸动524第4期周婷婷，等：海洋结构物摩擦学问题的研究进展。
表面技术第52卷第12期极地海洋环境服役材料的摩擦学研究进展徐昊钺，安丽琼*，董丽华，范润华（上海海事大学 海洋科学与工程学院，上海 200135）摘要：随着北极航行的发展及极地资源开发的需要，如何提高极地海洋环境服役材料的摩擦学性能愈发重要。
在极地海洋环境中，碎冰、冰层和海水中的腐蚀性物质会使材料受到摩擦磨损、腐蚀及其耦合的影响；低温潮湿环境会增加材料的脆性、使材料表面覆冰、改变材料的摩擦磨损机理；强紫外线会加速涂层老化；这些因素都会降低材料的耐磨性能，最终导致材料失效。
因此，极地海洋环境服役材料的摩擦学与材料的性能、服役寿命息息相关。
本文介绍了极地探索所面临的摩擦磨损问题；阐述了极地温度、极地海洋大气及海水成分、海冰运动和极地微生物等极地海洋环境特点及其对材料摩擦学性能的影响；重点介绍了金属材料、无机非金属材料、高分子材料在极地海洋环境下的摩擦学进展；探讨了提升材料在极地海洋环境下的耐磨防腐技术，如改性、表面修饰等；最后，结合极地海洋环境服役材料摩擦磨损研究中所面临的问题及发展趋势，对未来极地海洋服役材料的摩擦学研究工作进行展望。
关键词：极地海洋环境；摩擦学；磨损；腐蚀；涂层；材料中图分类号：TH117.1 文献标识码：A 文章编号：1001-3660(2023)12-0260-14DOI：10.16490/ki.issn.1001-3660.2023.12.022Research Progress in Tribology of Materials inPolar Marine EnvironmentXU Hao-yue, AN Li-qiong*, DONG Li-hua, FAN Run-hua(College of Ocean Science and Engineering, Shanghai Maritime University, Shanghai 200135, China)ABSTRACT: With the development of navigation in the Arctic and the exploitation of polar resources, much attention has been paid to how to improve the tribological properties of materials used in the polar marine environment. For the characteristics of the polar marine environment, materials are often attacked by wear, corrosion and corrosive wear due to ice and corrosive substances in the sea. In addition, the low temperature and humid environment will not only increase the brittleness of materials, but also lead to icing on the surface of materials and change the friction and wear mechanism of materials. The strong ultraviolet light will accelerate the aging of coatings. All these factors will reduce the wear resistance and eventually lead to failure of materials. Therefore, the tribology of materials in polar marine environment is closely related to their properties and determines their service life. Based on the tribology problems in materials used in polar marine environment, the characteristics of polar marine environment, such as polar temperature, polar marine atmosphere, polar seawater composition and polar microorganisms, and their effects on tribological properties of materials were introduced. Next, research progress in the收稿日期：2022-09-03；修订日期：2023-03-08Received：2022-09-03；Revised：2023-03-08基金项目：上海深远海洋装备材料工程技术研究中心项目（19DZ2253100）Fund：Shanghai Engineering Technology Research Centre of Deep Offshore Material (19DZ2253100)引文格式：徐昊钺, 安丽琼, 董丽华, 等. 极地海洋环境服役材料的摩擦学研究进展[J]. 表面技术, 2023, 52(12): 260-273.XU Hao-yue, AN Li-qiong, DONG Li-hua, et al. Research Progress in Tribology of Materials in Polar Marine Environment[J]. Surface Technology, 2023, 52(12): 260-273.*通信作者（Corresponding author）第52卷第12期徐昊钺，等：极地海洋环境服役材料的摩擦学研究进展·261·tribological property of metal, inorganic nonmetallic materials and polymer in polar marine environment and their improvement ways, such as modification, surface treatment was given in detail. For metal, the reduction of temperature will hinder the formation of oxidation transition layer, thus increasing the friction coefficient and wear amount of substrate materials. Besides, when the metal is subject to wear-corrosion coupling, wear plays an important role in material loss. Adding Ni, Cr, Mo and other alloying elements into the metal can reduce the tough-brittle transition temperature of the metal, and also refine the grain to strengthen the wear resistance. For concrete, it is subject to a freeze-thaw cycle that increases its porosity and decreases its strength, making it easier to wear. When it is rubbed with ice, the ice will break into crushed ices, and they act as abrasive particles to increase the wear of concrete. Changing the type and proportion of concrete aggregate can improve the overall strength of concrete and improve its freeze-thaw resistance. For polymer, the decrease of temperature will increase the hardness of polymer, reduce the contact area and thus reduce the friction coefficient. On the other hand, the decrease of temperature will increase the bond strength between the materials and thus increase the friction coefficient. The surface modification of the polymer material can reduce the contact area, thus reducing the friction, and also can strengthen the lubrication effect of water flow on the friction interface. Filling the polymer material with self-lubricating materials can also reduce the friction coefficient of the material and improve the wear resistance at low temperature. For coatings, with the decrease of temperature, the toughness of the coating decreases, and the problems such as embrittlement and cracking occur easily. By hydrophobic modification of polymer coating, introduction of soft segments or filling of hard particles, the problems such as icing and aging cracking of coatings can be solved. Finally, the blueprint of research study on tribology in polar marine environment is prospected by reviewing the problem and development trend.KEY WORDS: polar marine environment; tribology; wear; corrosion; coatings; materials极地地区，尤其是北极地区蕴藏着丰富的矿物、石油和天然气等自然资源，其开发将是人类未来发展的主战场。
摩擦学的进展与展望摩擦学是一门关于摩擦现象及其控制的学科，是材料领域中最重要的基础科学之一。
随着科学技术的不断发展，摩擦学研究也逐渐取得了新的进展和突破，本文将简述摩擦学的进展以及未来的展望。
一、摩擦学的进展1. 材料性能的改进随着材料科学的发展，工程界不断提出新的材料，任何材料都不能发展的独立于摩擦学的限制。
新型材料的发展为减小摩擦提供了一种途径，包括纳米材料，硅基材料等等。
2. 润滑技术的发展传统的润滑技术包括机械润滑、油润滑、气体润滑等。
而近年来润滑技术的应用也越来越广泛，从传统的机械润滑开始转向静电场润滑等新型技术，这些技术的应用有效地减小了摩擦现象，增加了机械设备的寿命。
3. 摩擦学理论的深化随着计算机技术和数值模拟技术的发展，摩擦学理论得到了很大的改进。
现代摩擦学理论已经逐渐从传统的摩擦现象说明向着深入探讨摩擦机制的方向发展。
同时新型摩擦学理论的提出可为材料科学提供新的支撑。
二、摩擦学的展望随着材料科学、计算机科学的快速发展，摩擦学在未来还有非常广阔的发展空间。
未来摩擦学的发展重点包括以下几个方面：1. 摩擦与磨损控制的理论和技术的发展随着工业的快速发展，摩擦机制和材料耐用性是极其关键的。
未来研究需着重探索摩擦与磨损强度之间的关系、摩擦机制的本质、新型润滑剂的研究等等。
2. 智能润滑技术的推广智能润滑技术将润滑技术与计算机技术相结合，开发出一种更加高效、自适应性更强的新型润滑系统。
未来摩擦学的应用将更加普及和广泛，发展出与工业现状高度契合的新型智能润滑技术。
3. 摩擦学与新材料的研究在现代工程技术和材料科学的高度发展下，新型材料的研究变得越来越重要。
未来的摩擦学还需要关注新型材料的摩擦特性、摩擦不稳定性等方面的应用研究。
尽管摩擦学已取得了长足的发展，但是未来摩擦学的发展研究充满了无限的可能性。
相信有天人们可以突破摩擦机制的局限，创造出更多的奇迹。
4. 微观结构与摩擦特性的研究随着纳米技术的不断发展，微观结构与摩擦特性之间的关系逐渐成为了一个热门领域。
2013年3月第38卷第3期润滑与密封LUBRICATION ENGINEERING Mar．2013Vol.38No.3DOI ：10.3969/j.issn.0254－0150.2013.03.025*基金项目：武汉市青年科技晨光计划项目（201050231043）；中央高校基本科研业务费专项资金项目（2012－II －018）.收稿日期：2012－10－12作者简介：白秀琴（1971—），女，博士，副教授，主要研究方向为摩擦学与表面工程、船舶动力系统可靠性与绿色技术.E-mail ：xqbai@.海洋环境新能源利用中的摩擦学研究进展*张璇1，2白秀琴1，2张彦1，2袁成清1，2严新平1，2（1.武汉理工大学能源与动力工程学院可靠性工程研究所湖北武汉430063；2.武汉理工大学船舶动力工程技术交通行业重点实验室湖北武汉430063檿檿檿檿檿檿）摘要：海洋新能源的开发利用已成为目前的研究热点，其中涉及大量的摩擦学问题，这为摩擦学工作者提供了新的契机和挑战。
对近些年来新能源在海洋环境利用过程中涉及的摩擦学研究及其进展进行概述，涉及海洋新能源机械装置关键部件的摩擦磨损、失效、润滑不良；过流部件受到的振动、腐蚀与气蚀的影响；海洋环境中的密封与润滑等3个方面。
并对未来的工作重点进行展望。
关键词：海洋环境；新能源；摩擦磨损；海洋污损中图分类号：TH117.1文献标识码：A文章编号：0254－0150（2013）檿檿檿檿檿檿3－106－5The Tribological Research Progress in New Energy Utilization underMarine EnvironmentZhang Xuan 1，2Bai Xiuqin 1，2Zhang Yan 1，2Yuan Chengqing 1，2Yan Xinping 1，2（1.Reliability Engineering Institute ，School of Energy and Power Engineering ，Wuhan University of Technology ，Wuhan Hubei 430063，China ；2.Key Laboratory of Marine Power Engineering ＆Technology （Ministry ofCommunications ），Wuhan University of Technology ，Wuhan Hubei 430063，China ）Abstract ：The development and utilization of marine new energy has become the research hot spot recently ，which in-volves a lot of tribological problem.Thus the tribology workers are provided with new opportunities and challenges.The tribological research about the new energy utilization in marine environment in the recent years was reviewed.The content involves research achievements about friction and wear failure and poor lubrication of ocean new energy mechanical device key components ；the influence of vibration and cavitation to the transition components ；the sealing and lubrication in the marine environment.The prospect of future work was given.Keywords ：marine environment ；new energy ；friction and wear ；marine fouling随着石化能源的日益枯竭和节能环保法规的日趋严格，广泛应用清洁可再生能源已经成为全球发展的共识。
第33卷第3期摩擦学学报Vol33No3 2013年5月Tribology May，2013海洋环境下的材料摩擦学研究进展与展望董从林1，2，白秀琴1，2，严新平1，2，袁成清1，2*（1．武汉理工大学能源与动力工程学院可靠性工程研究所，湖北武汉430063；2．武汉理工大学船舶动力工程技术交通行业重点实验室，湖北武汉430063）摘要：海洋是人类赖以生存的载体，与人类未来发展休戚与共．海洋科学领域的发展常常依赖于海洋专用材料的研究和进展．海洋极端环境下的摩擦磨损是制约海洋材料应用与推广的关键问题之一，主要表现在材料在海洋苛刻环境下的腐蚀行为、电化学腐蚀以及材料在载荷和腐蚀环境下的耦合摩擦学行为．本文中分析了海洋环境的特点及其关键摩擦学问题，阐述了海洋环境下的材料摩擦学的研究内涵，对金属材料、高分子材料、陶瓷材料在海洋环境下的摩擦学问题进行了探讨，并结合海洋材料摩擦学现有研究进展及发展趋势，对海洋环境下的材料摩擦学相关研究前景进行了展望．关键词：海洋环境；腐蚀磨损；摩擦学；材料中图分类号：TH117．1文献标志码：A文章编号：1004－0595（2013）03－0311－10 Research Status and Advances on Tribological Studyof Materials under Ocean EnvironmentDONG Cong－lin1，2，BAI Xiu－qin1，2，YAN Xin－ping1，2，YUAN Cheng－qing1，2*（1．Reliability Engineering Institute，School of Energy and Power Engineering，Wuhan University of Technology，Wuhan430063，China2．Key Laboratory of Marine Power Engineering＆TechnologyMinistry of Communications，Wuhan University of Technology，Wuhan430063，China）Abstract：The ocean is a very important vector for human in future．The development of ocean science usually depends on the research and development of ocean proprietary material．The wear is one of key problems，which limits the application and promotion of the ocean material in the ocean extreme environment，including the corrosion behavior，electrochemical corrosion and the coupling tribological behavior between the loading and the corrosion．Based on the characteristics of the ocean environment and the key tribology problem，this paper expounded the research connotation of the material tribology in the ocean environment，and discussed the tribology behaviors of metal material，high polymer material，nonmetal material and the special material in the ocean environment．Finally，the blueprint and entry points for relative study on tribology that took the ocean material as its application field were prospected by reviewing and analyzing the research progress and development trend．Key words：ocean environment，corrosion wear，tribology，materialReceived29September2012，revised6November2012，accepted4December2012，available online28May2013．*Corresponding author．E－mail：ycq@whut．edu．cn，Tel：+86－27－86554969．The project was supported by the National Natural Science Foundation of China（51079116），the Fundamental Research Funds for the Central Universities（2012－II－018）and the Self－determined and Innovative Research Funds of WUT（2012－YB－013）．国家自然科学基金（51079116）、中央高校基本科研业务费专项资金（2012－II－018）和武汉理工大学自主创新研究基金（2012－YB－013）资助．海洋科学领域的发展是一项系统工程，不仅是诸多科技领域发展的集成，也依赖于海洋专用材料的研究和进展．国防安全、深海资源钻采、深海科学探索、潮汐能和风能发电等方面的基础是海洋装备，而海洋装备的基础是海洋专用材料．海洋材料的质量不足与种类短缺已经成为海洋领域发展的制约瓶颈．海洋材料面临最大的挑战之一是海洋极端环境下的摩擦学问题，大多数常用的金属材料、无机非金属材料、高分子材料在服役过程中都受到不同程度的腐蚀和摩擦磨损，如船舶动力装置关键零部件，潮汐能和风能发电装置、石油天然气钻井作业工具和输送管道、海洋平台钢结构连接件以及系泊链和深水密封装置等，这些装备关键零部件的腐蚀、摩擦磨损及其交互作用严重制约了海洋装备的工作效率和可靠性．2006年中国工程院咨询项目“摩擦学科学及工程应用现状与发展战略研究”的调查结果显示，2006年我国摩擦磨损方面造成的损失约占国民经济总值的4．5%．根据《2009年中国海洋经济统计公报》，2009年我国海洋生产总值31964亿元，如按摩擦磨损占生产总值的4．5%计算，那么海洋材料的摩擦磨损造成的损失约1439亿元/年．但由于海洋苛刻的服役环境，实际损失要高于这个数值［1－2］．随着国际形势的变化和我国综合国力的增长，开发海洋资源，发展沿海经济，对我国经济建设和社会发展具有重大战略意义．由于海洋环境实验成本高，目前材料在海洋极端环境下的摩擦磨损和服役失效机制的公开数据甚少，或处于保密状态，相关科学机制在国际上也不多见．本文就海洋环境下材料摩擦学问题展开了探讨与展望．1海洋环境特点及其摩擦学问题海洋环境指地球上广大连续的海和洋的总水域及其独特的自然环境的总称，包括海水、溶解和悬浮于海水中的物质、海底沉积物、海洋生物和海洋大气环境．海洋环境复杂，导致海洋装备面临的摩擦学问题复杂多样：①海水的黏度很低，大约只有矿物油的1/20 1/100，润滑性能很差，摩擦副对偶面上难以形成有效的弹流润滑膜，也不能形成良好的边界润滑膜，因而很容易造成摩擦副表面处于直接接触状态，加快摩擦磨损；②海水是典型的腐蚀性电解质，既含有大量氯化物，还含有经常处于饱和状态的碳酸盐以及多量的镁、钙离子，其导电性比矿物油高数亿甚至数百亿倍，能引起绝大多数金属材料的电化学腐蚀和多数高分子材料的化学老化，即使用陶瓷材料作金属零件的表面涂层，也有可能引起材料及涂层或粘结层中特定相的选择性析出和涂层与金属界面的缝隙腐蚀，其腐蚀作用也会大大加速磨损的进程和加剧磨损的速度；③海洋环境极其复杂，经常处于风浪、暴雨、海洋多变的状况中，容易对海洋装备产生颠簸、振动和冲击作用，使其部分连接件和关键摩擦副出现异常磨损．例如，风浪造成船体变形，使其部分关键运动部件因为船体变形导致彼此之间处于边界润滑或干摩擦，润滑状态极其恶劣，接触应力增加，摩擦磨损急剧增加，严重影响船舶推进系统的工作性能和可靠性寿命；海洋平台的振动加剧海洋平台连接件以及系泊链在腐蚀环境下的微动磨损；④海水中存在着4000多种海洋污损生物，易于附着在浸水材料表面加速材料的腐蚀，并增加海洋运载工具的航行阻力；⑤石油、天然气钻井作业工具中的钻采设备套管与钻杆间的摩擦，电潜泵叶轮及轴承与沙粒间的摩擦磨损，运输设备中的泵、阀、管道间的流体摩擦磨损，通常是由于固液两相流体和海洋腐蚀等作用下多种磨损机制共同作用的结果；⑥深海环境下的高压与腐蚀行为之间的耦合作用使得深海装备的密封问题尤为突出．海洋装备的腐蚀和关键摩擦副摩擦磨损的本质是接触材料的减少、性能变差或者失效，从而导致海洋结构物或者零部件的可靠性降低或者失效．海洋环境下的材料摩擦学问题就是针对上述海洋环境的特点以及所产生的摩擦学问题，研究材料在海洋苛刻环境下的腐蚀行为和微生物附着腐蚀行为、电化学腐蚀行为以及材料在载荷和腐蚀环境下的耦合摩擦学行为，探索材料在海洋极端环境下摩擦磨损机理和失效机制，从而找到改善材料的摩擦学性能以及防污防腐的方法，达到保障海洋装备安全可靠运行的目的．论文结合海洋环境的特点，从金属材料、高分子材料、无机非金属材料（以陶瓷材料做典型分析）三个方面展开探讨研究．2海洋环境下的金属材料的摩擦学随着海洋资源的开发和利用，船舶、石油采集平台、海上风力发电装置、潮汐能发电装置、深海资源钻采、水下空间站，水下机器人和潜航装备等海洋装备大量兴建，大量的金属材料被投入使用，并且海洋装备及其关键摩擦副面临着比陆地更为苛刻的服役条件，其摩擦学问题更为突出，因此金属材料在海洋环境下的摩擦学问题深受关注．213摩擦学学报第33卷2．1腐蚀海水是典型的腐蚀性电解质，暴露于海洋环境中的金属构造物及其零部件与周围介质发生电化学反应等而受到严重腐蚀．金属材料在海洋环境中的腐蚀行为很早就引起了专家学者的注意．朱相荣［3］、侯保荣院士［4］和Robert Jeffrey等［5］分别利用自行设置的模拟海洋腐蚀装置和实海腐蚀环境对金属材料进行了长时间的挂片腐蚀试验，结果表明钢试样在浪溅区平均腐蚀速率分别为0．46和0.42 mm/a，是全浸区的2 3倍．在腐蚀机理方面，朱相荣等［3］研究认为造成浪溅区金属构造物严重腐蚀的主要原因为海水膜润湿时间长、高的干湿交替频率、海盐粒子的大量积聚和海水飞溅的冲刷作用．Meng H［6］和李言涛等［7］研究表明浪溅区金属结构造物的腐蚀速率大于海水中的腐蚀速率是由于锈层自身氧化剂的作用导致阴极电流变大，表面锈层在湿润过程中充当强氧化剂的特殊角色．在海水中，锈层中发生了Fe3+到Fe2+的还原反应；在干燥过程中，由于空气氧化，锈层中的Fe2+又被氧化为Fe3+．根据钢铁在海水中的腐蚀特点，众多专家学者研究了采取添加合金元素法提高金属材料在海洋环境下的耐腐蚀性能．Ishikawa T［8］和Wang X T等［9］研究了在海洋环境下Ni、Ti、Mo、Cu、P、Mn、Si、Cr等元素对低合金钢耐蚀性的影响，认为合金元素使γ－FeOOH转变速度加快，形成了细小微粒型的Fe3O4保护性铁锈，从而阻止Fe3O4呈晶体生长，可抑制水、氧和氯离子的扩散，为提高金属材料在海水的耐腐蚀性能提供了有利的理论依据．然而在复杂多变的海洋环境中，单纯的腐蚀是不存在的，腐蚀通常与流体的冲蚀、交变载荷共同对海洋装备的表面材料产生腐蚀和摩擦磨损的协同作用，因此研究材料在载荷、流体和腐蚀环境下的耦合摩擦学行为更具实际意义．2．2腐蚀和冲蚀的相互作用在石油天然气开采装备、船舶、潮汐能发电等海洋装备中，存在众多与腐蚀性流体接触的金属过流部件，这些过流部件常由于遭受到流体的冲蚀作用而发生失效．例如，石油开采装备中的管道、阀门、弯头、三通等过流部件进行流体输送时，受到流体的冲蚀作用；尤其是当输送介质中含有固相颗粒时，这些过流部件的破坏更为严重，其寿命会显著缩短，造成了巨大的经济损失和安全隐患，使得冲蚀成为油气管道防护的关键问题之一．长期以来，流体对金属材料的冲蚀引起了国内外的广泛关注，并进行了大量的研究．冲蚀通常是流体冲刷造成材料局部酸化，阻止产物膜的形成，或者造成了材料表面材料钝化膜或保护膜的减薄破裂或使材料发生塑性变形，位错聚集，局部能量升高，从而加速材料的腐蚀．Briak 等［10］研究了铸造NAB钢在含SiO2颗粒的3．5%NaCl流体介质喷射下冲蚀性能，结果表明：由于多相流冲击作用引起材料塑性变形，导致磨损区域硬度远大于材料基体，材料表面出现不均匀性，加速了腐蚀的速度．鲍崇高等［11］通过对不锈钢材料在冲蚀磨损过程中电化学腐蚀及抗冲蚀磨损性能的研究，区分出了纯磨损、纯腐蚀和磨损对腐蚀的促进分量．发现试验材料在冲蚀磨损总失重率中，纯磨损率占主要部分；随着冲蚀速度的增加，磨损对腐蚀的促进作用也增加，同时也加强了腐蚀对磨损的促进作用．周广宏等［12］采用自制的圆筒型冲蚀磨损仪，对Cr2Mn2N不锈钢在含沙海水中的冲蚀磨损行为进行了研究．研究结果表明：试样在含沙海水中的冲蚀率均超过了在含沙清水中的冲蚀率，并随着流速的增大而增大，但增大的趋势逐渐放缓；而在含沙海水中以腐蚀磨损为主，属小角度剥蚀磨损．赵会友［13］在相同试验条件下研究了16Mn、27SiMn和1Cr18Ni9不锈钢在不同pH值含沙浆体冲蚀作用下的摩擦学行为，分析了pH值对钢腐蚀冲蚀磨损的影响．研究发现：钢的冲蚀腐蚀磨损率随pH值降低而增加，耐腐蚀性能降低；腐蚀与冲蚀的交互作用越大，钢的腐蚀冲蚀磨损越严重．2．3腐蚀和交变载荷相互作用下的摩擦磨损海洋腐蚀环境和自身的载荷使得某些海洋装备部分关键摩擦副的摩擦磨损十分严重，并且海洋中的风、浪、流和潮汐等水体循环运动外载极大地加快关键零部件的摩擦磨损，诸如潮汐能和风能发电装置、石油和天然气钻井作业工具和船舶动力系统等．研究腐蚀和交变载荷共同作用下的摩擦磨损机理能更好地反应摩擦副在海水环境下的摩擦学行为．Cui等［14］对比研究了Cu－6Sn－6Zn－3Pb在海水、纯净水和干摩擦环境的下摩擦学行为，发现摩擦系数在纯净水环境下最大，干摩擦环境下最小；而磨损量刚好相反．在纯净水和干摩擦环境下，Cu－6Sn－6Zn－3Pb主要以磨粒磨损和塑性变形为主，而在海水中则以磨粒磨损、塑性变形和腐蚀磨损为主，海水对摩擦副起到冷却、润滑和腐蚀的作用．Wu 等［15］研究了巴氏合金16－16－2和铝青铜ZCuAl9Mn2在海水环境的摩擦学行为，研究发现摩313第3期董从林，等：海洋环境下的材料摩擦学研究进展与展望擦副之间的摩擦系数随着载荷的增大而增大，最后保持相对稳定，而随着转速的增加而减小；磨损率随着载荷的增加而增加，但随滑动速率的增加而减小．在海水溶液中发现因腐蚀而形成的碳酸盐Pb3（OH）2（CO3）2，研究认为这是使摩擦系数减小的原因之一．钛合金表面在大气或者海水中会生成一层钝化膜，对金属表面起着保护作用，使之在常温海水环境中不发生点蚀和缝隙腐蚀，被认为是目前已知的抗常温海洋环境耐腐蚀性能最优异的金属材料．然而钛合金耐磨损能力差，容易被擦伤从而导致钝化膜的破坏，加剧腐蚀．中国科学院兰州化学物理研究所的陈君，王建章和阎逢元等［16－18］研究了Ti－6Al－4V和Monel K500合金与对偶材料316不锈钢在海水和纯水环境下的摩擦学行为，研究结果表明：Ti－6Al－4V和Monel K500合金在海水中的摩擦系数明显小于在纯水中的摩擦系数，在海水中的磨损量明显大于纯水中的磨损量，这主要是由于摩擦作用破坏了金属表面的钝化膜，增加了摩蚀速度．磨损和腐蚀产生交互作用，交互作用量随着腐蚀速度的加快而增加．当和Monel K500配副时，316不锈钢的磨损严重，而和Ti－6Al－4V配副时磨损相对较小．同时还发现Ti－6Al－4V合金与对偶件之间以磨粒磨损为主，磨损率随着海水静压力的增大而减小．他们进一步研究了海水环境下的TC4钛合金和氧化铝陶瓷腐蚀磨损性能，认为TC4钛合金在海水中的腐蚀磨损量明显大于其在阴极保护条件下的磨损量，证明了腐蚀与磨损有交互作用的发生：纯磨损量占总腐蚀磨损量的比例为65．9% 89．8%，在腐蚀磨损过程中磨损作用明显大于腐蚀作用；腐蚀磨损交互作用量占总腐蚀磨损量的10．2% 34．1%，交互作用不可忽视．丁红燕等［19］研究了TC11钛合金在人造海水和纯净水中的往复滑动腐蚀磨损行为．结果表明：在2种介质中TC11钛合金的摩擦系数均随着载荷和滑动速度的增加而呈下降趋势，但随载荷变化的趋势更为缓慢；TC11钛合金在海水中形成的润滑膜可以明显降低摩擦系数，但其磨损量比水介质中高，说明腐蚀加速了磨损，磨损后的钝化膜更易被破坏；TC11钛合金在水中的磨损机制为磨粒磨损，而在海水中则为疲劳脱落并伴有磨粒磨损．海洋环境中金属材料的摩擦学行为研究具有非常重要的意义，对于海洋装备的开发和利用以及保障海洋装备的安全可靠提供技术指导和理论依据．3海洋环境下高分子材料的摩擦学相对于金属材料，高分子材料具有优异的耐腐蚀性能、自润滑性能和包埋磨粒或沙粒等异物的能力，常常也具有较好的摩擦学性能，在海洋装备中有着极其广泛的应用，诸如船舶尾轴承、海洋平台减振橡胶支座、深水高拉伸强度且耐高水压的橡胶管、海洋装备密封装置、水润滑轴承与活塞等．其在海洋环境下的摩擦学行为也越来越受到人们的重视．由于高分子材料的复杂性，其摩擦学行为的研究大多是经验性的，依赖于直接的、重复的试验．高分子材料在水环境中摩擦学行为早已成为众多专家学者研究的热点．Evans等［20］研究了多种材料配副在海水中的摩擦学性能，指出海水中的摩擦副通常工作在干摩擦状态，有时处于混合润滑或边界润滑状态，很难实现流体润滑，发现将水引入聚合物－金属摩擦体系中，通常会降低该体系的摩擦系数，但由于聚合物材料因吸水塑化引起的硬度下降可能造成聚合物磨损率的增大．Lancaster等［21］发现碳纤维增强的聚合物与S80不锈钢在海水中对摩时的磨损率小于在纯水中的磨损率．他认为这是由于海水对铁质对摩面的腐蚀有利于其表面的抛光与粗糙度的降低．兰州物理化学研究所的王建章和阎逢元等［22］研究了海水组成对工程聚合物材料摩擦学行为的影响，证实了海水明显不同于其他流体介质（如纯水、Nacl溶液等），聚合物材料表现出了极为特殊的摩擦及损伤规律．磨损与腐蚀的作用规律遵从“间接腐蚀”机制，二价金属盐对聚合物的海水摩擦学性能有重要影响．经过众多专家学者长时间的探索研究，超高分子量聚乙烯（UHMWPE）与聚四氟乙烯（PTFE）以其良好的耐磨损性能、较高的抗冲击性能、良好的自润滑性能、较小的吸水率以及海水介质中优异的化学稳定性，被认为是两种极具潜力的适用于海水环境中的摩擦材料［23－24］．以橡胶为基体的高分子材料被广泛应用于海水润滑轴承．但由于海水润滑性能差，水膜承载能力低；轴承承受着各种附加负荷，其中包括螺旋桨自重和水对螺旋桨的反推力，使得尾轴承承受的压力分布不均匀，负荷过大以及容易产生振动等；而且尾轴运转不稳定，在启动、停机等引起运行速度变化的情况下，往往处于边界润滑和干摩擦状态，难以形成动压润滑，故其工作条件相当恶劣，易发生严重的摩擦磨损．Schneider［25］报告美国军方在水下潜艇中已经运用了整体式超高分子量聚乙烯水润滑轴承，提供413摩擦学学报第33卷了大量测试数据，研究了影响水润滑尾轴承寿命的因素，包括载荷、转速、表面粗糙度、腐蚀的影响等因素，并提出了载荷、轴和轴承材料的相关标准．Cirino M和Friedrich K［26］以单个板条为研究对象，进行了水润滑条件下的摩擦磨损性能试验，并分析了不同厚度、不同硬度橡胶在不同的速度和载荷下橡胶轴承板条的摩擦系数．武汉理工大学、武汉材料保护研究所、重庆大学机械传动重点实验室和青岛理工大学等单位［27－30］对水润滑尾轴承润滑机理、磨损机理、轴承材料的选择和制备工艺以及可靠性寿命进行了深入的研究，并取得了较好的成果，为橡胶材料在水润滑尾轴承上的应用和发展做了一些有意义的工作．玻璃钢（Glass Fiber Reinforced Plastic，GFRP）强度高，可以和钢铁相比，其密度小、耐腐蚀性能好、表面光滑，在海洋装备上得到广泛的应用．国外关于玻璃钢材料在海洋环境下的摩擦学行为和加速试验的相关研究起步较早，手段先进，机理研究比较深入．影响玻璃钢耐腐蚀特性的主要内部因素包括：基体树脂的种类、含胶量、固化度、界面粘结特性以及成型工艺方法等．外界因素主要包括：大气和盐雾的腐蚀、海水以及海水中的化学物质的腐蚀、海平面的海水和浪花的冲刷腐蚀等．玻璃钢材料在内部和外部因素的共同作用下，扩散、渗透成为玻璃钢腐蚀破坏的基本动力，是其腐蚀破坏的主要形式．因此其在海洋环境下的腐蚀行为，主要归因于海洋极端环境下的扩散、渗透而引起的化学降解和机械能降解［31］．船用太阳能作为绿色船舶的主要推进动力之一，太阳能电池板所处的海洋环境极为苛刻，含有大量的盐分、水气及海风中夹杂的酸碱性物质，虽然大多数太阳能电池板玻璃盖片耐腐蚀性能较好，但长期处于温差大、盐分大和湿度高的环境中，极易发生污染、着色、腐蚀和磨损等一系列情况，使得光伏电池对太阳光的利用率下降，进而导致整个系统转换效率下降．武汉理工大学的袁成清等［32－33］在这方面进行了有意义的探讨，结果表明：随着在玻璃表面浸渍的盐水浓度的进一步增加，盐水的浓度会达到饱和，并且随着水分的不断蒸发，在玻璃表面会不断地析出盐粒，导致玻璃表面出现大量的盐斑（如图1所示），从而使得通过玻璃的太阳光透过率降低，反射率增高，也就影响了玻璃盖片的光谱透过率．通过太阳能电池组件的对比试验可以看出，不同的盐分对太阳能电池板的输出功率会产生影响，在5%盐水条件下，影响最小，其余的情况下均有比较大的影响．玻璃钢材料和其他材料相比较，有着更好的耐腐蚀特性，在海洋工业中得到了广泛应用，为了加深玻璃钢材料在应用中的深度和广度，关于玻璃钢材料在海洋环境中的腐蚀理论值得进行深入地研究和探讨．聚合物特种材料是国民经济和科学领域中一类重要的材料．众所周知，聚合物特种材料具有优良的物理和化学性能，如质轻比小、强度高、比模量大、耐疲劳、耐腐蚀、自润滑性能好等，且具有多功能性、结构易设计、易于加工，具有广泛的应用，可替代金属材料用于机械零部件．然而，聚合物材料存在尺寸不稳定，表面硬度低，承载能力差等缺点，限制了其应用．聚合物基特种材料在苛刻环境下的摩擦学行为受到众多研究者的广泛关注．国内外研究者针对聚合物特种材料摩擦学改性研究已经做了大量工作，对聚合物特种材料的摩擦磨损机理形成了不同的认识，并通过多种方法对其进行改性，以改善聚合物及其特种材料在高温、高压和海水环境下的摩擦磨损性能，适应苛刻应用环境的要求．常规改性方法主要有聚合物共混改性、固体润滑剂填充改性、纤维增强改性、金属及其化合物填充改性、聚合物表面改性、纳米材料改性方法和多元复合改性［34－35］．而纳米材料与纳米技术的兴起和发展为聚合物摩擦学的改性研究提供了新的方法与理论．同时，聚合物特种材料的摩擦磨损是一个复杂的过程，纳米材料及多种填料的加入使得特种材料各组元之间的相互作用影响更加复杂［36－37］．进一步探索纳米聚合物特种材料及多元复合填料的协同作用，更加系统深入地研究其摩擦学机理，对提高聚合物特种材料在海水苛刻环境的摩擦磨损性能，为将其推广应用于海洋工程领域有着非常重要的意义．4海洋环境下陶瓷材料的摩擦学陶瓷材料属于无机非金属材料，具有高硬度、耐高温、耐腐蚀、刚度高、热膨胀系数小、导热性好、强度高、耐磨无污染等优点，有着广阔的应用前景．由于陶瓷材料在海水润滑条件下的摩擦系数都比较高，曾一直被认为不适合充当海水润滑摩擦副．随着新型工程陶瓷材料在工程领域的不断推广应用，并应用于较恶劣的特种工作环境，海水润滑陶瓷轴承正是在这一背景下开发出来的．4．1陶瓷材料的水润滑性能1987年有研究发现：海水润滑条件下，硅系陶瓷经过一段时间的磨合期后，表面发生的摩擦化学反应对陶瓷表面存在超平滑效应，从而产生了极513第3期董从林，等：海洋环境下的材料摩擦学研究进展与展望。
