武汉材料保护所 Tribo. Intern.|海水润滑下聚多巴胺包覆磷酸锌纳米花改性超高分子量聚乙烯复合材料的摩擦学性能与转移膜演化机理

文献分享|海水润滑下聚多巴胺包覆磷酸锌纳米花改性超高分子量聚乙烯复合材料的摩擦学性能与转移膜演化机理

DOI：10.1016/j.triboint.2026.112159

通讯作者：段海涛研究员

研究背景

海洋装备中的关键运动部件（如轴承、密封件）在海水润滑环境下面临严峻的摩擦学挑战。传统金属摩擦副在含高浓度自由离子的海水介质中易发生电化学腐蚀，且依赖油脂润滑存在污染海洋环境的风险。超高分子量聚乙烯（UHMWPE）虽具备自润滑与耐腐蚀特性，但其原始机械强度不足、耐磨性欠佳，尤其在低速重载条件下难以形成连续水膜，导致摩擦磨损严重。虽然TC4钛合金因其优异的耐海水腐蚀性成为理想对偶材料，但关于UHMWPE复合材料与TC4配副在海水润滑下的系统研究仍较为缺乏，开发高性能复合材料以提升海洋装备可靠性具有重要的工程价值。

创新点

本研究合成了聚多巴胺（PDA）包覆的磷酸锌（ZnP）纳米花（ZnP@PDA）作为功能填料改性UHMWPE，并系统揭示了其在海水润滑下与TC4对磨时的摩擦磨损机理与转移膜演化规律。具体而言，通过PDA表面修饰有效解决了无机填料在聚合物基体中的界面相容性与分散性问题；明确了4 wt.%为最优填充量，在此含量下填料均匀分散，复合材料表面硬度和抗压强度显著提升，磨损率较纯UHMWPE降低60.2%；研究阐明了填料分散状态的关键作用：均匀分散的ZnP@PDA能在对偶表面形成连续、致密的固体润滑转移膜，有效隔离摩擦副并抑制粘着磨损，而过量填充导致的填料团聚则会引发硬质磨粒的三体磨粒磨损，破坏界面润滑层并加剧磨损。

图文速览

图1 (a)磷酸锌纳米花的合成示意图；(b)聚多巴胺表面功能化示意图；(c)复合材料模压成型过程中的温度与压力曲线；(d)摩擦学测试装置与试样参数示意图

图2 纳米花结构与形貌表征：(a-c)ZnP的场发射扫描电镜图像；(d-e)ZnP@PDA的场发射扫描电镜图像；(f)ZnP@PDA的场发射扫描电镜图像及对应能谱元素分布图

图3 (a)ZnP与ZnP@PDA纳米花的X射线衍射谱图；(b)ZnP与ZnP@PDA纳米花的热重分析

图4 ZnP@PDA/UHMWPE复合材料：(a)X射线衍射图谱；(b)傅里叶变换红外光谱；(c)差示扫描量热曲线；(d)应变为30%时的压缩应力-应变曲线；(e)30%应变时的压缩应力统计结果；(f)表面硬度

图5不同填料含量ZnP@PDA/UHMWPE复合材料的初始表面SEM图像与EDS元素分布图

图6不同填料含量ZnP@PDA/UHMWPE复合材料在海水润滑下的摩擦学性能：(a)10 N载荷下摩擦系数随时间变化曲线及(b)平均摩擦系数；(c)30 N载荷下摩擦系数随时间变化曲线及(d)平均摩擦系数

图7(a-e)不同填料含量ZnP@PDA/UHMWPE复合材料在30N载荷下的三维磨痕形貌与截面轮廓；(f)复合材料的磨损率

图8不同填料含量ZnP@PDA/UHMWPE复合材料磨损表面的SEM图像与对应EDS元素分布图：(a)原始UHMWPE；(b)4 wt.%ZnP@PDA；(c)8 wt.%ZnP@PDA

图9与不同填料含量ZnP@PDA/UHMWPE复合材料对磨的TC4球磨损形貌SEM图像及对应EDS元素分布图：(a)原始UHMWPE；(b)4 wt.%ZnP@PDA；(c)8 wt.%ZnP@PDA

图10与4wt.%ZnP@PDA/UHMWPE复合材料对磨的TC4球磨损表面XPS分析：(a)全谱扫描图；(b)C1s、(c)O1s、(d)Zn2p、(e)P2p和(f)Ti2p高分辨率谱图

图11ZnP@PDA/UHMWPE复合材料摩擦磨损机理示意图：(a)原始UHMWPE；(b)4 wt.%ZnP@PDA；(c)8 wt.%ZnP@PDA