随着对资源保护和生态保护的重视程度不断提高，金属摩擦和润滑剂泄漏造成的环境污染已成为一个关键问题，这推动了更环保替代方案的发展[1]、[2]。使用水作为润滑介质的水润滑轴承既具有环境可持续性，又具有资源效率，符合绿色船舶设计的原则[3]、[4]。然而，在低速和/或重载条件下，这些轴承的承载能力显著下降，并且会发生严重磨损[5]。因此，由于其独特的优势，自润滑聚合物材料正逐渐取代金属[6]。常用的水润滑轴承材料包括聚四氟乙烯、超高分子量聚乙烯（UHMWPE）、聚醚醚酮、聚酰胺和橡胶[7]。但由于耐热性不足、加工难度大、成本高昂以及长期服务要求高等问题，单一组分材料并未得到广泛应用。最近，在水润滑轴承的材料体系开发、润滑机制阐明以及工程应用方面取得了显著进展。研究人员探讨了这些聚合物的机械性能、耐磨性和热稳定性，为设计高性能水润滑轴承材料提供了重要的理论基础[8]。这些进展持续促进了可持续的工业设备制造工艺的发展。
UHMWPE因其优异的自润滑性能、出色的耐腐蚀性、易于加工和高化学稳定性而成为水润滑轴承的理想材料[9]、[10]。然而，尽管具有这些优势，但由于硬度较低和耐磨性不足，UHMWPE在水润滑轴承中的应用受到了限制[11]。因此，开发具有更高硬度和耐磨性的新型水润滑轴承材料和技术仍然至关重要[12]、[13]。特别是，将固体润滑填料掺入聚合物基体中已成为制备高耐用性和可靠自润滑材料的有效方法[14]、[15]、[16]、[17]。
基于碳的材料，如氧化石墨烯（GO）和多壁碳纳米管（MWCNTs），因其独特的晶体结构而广泛用作UHMWPE的润滑添加剂，能够提升复合材料的机械和摩擦学性能[18]、[19]、[20]。优化石墨烯或碳纳米管（CNTs）的添加量（0.5-1 wt.%）可以显著降低UHMWPE复合材料的摩擦系数和磨损率。这些改进归因于多种机制，包括润滑膜的形成、滚动或滑动效应、表面修复以及协同润滑作用[21]、[22]、[23]、[24]、[25]、[26]。即使在盐水中润滑等恶劣条件下，CNT增强的UHMWPE复合材料也表现出极低的摩擦和磨损，显示出宝贵的环境适应性[25]。除了提高UHMWPE的机械强度外，碳基材料的添加还通过润滑和增强机制的结合显著提升了其摩擦学性能。这些现象支持了这类复合材料在苛刻应用中的使用。
为了通过协同效应创造具有增强摩擦学性能的混合复合材料，已将各种填料掺入聚合物中[27]、[28]、[29]、[30]。这些填料的结构多样性带来了不同但互补的润滑机制[31]、[32]。实验研究表明，结合具有不同几何形状和表面特性的填料可以显著改善复合材料的摩擦学性能。例如，含有滑石和CNTs的混合系统在多方向滑动下表现出更好的耐磨性，而含有GO、纳米钻石和碳纤维的复合材料在水润滑条件下表现出较低的摩擦和磨损[33]、[34]。这些改进归因于形成了坚固的转移膜、促进了界面滑动以及不同填料类型之间的协同作用。值得注意的是，如石墨烯-CNT组合这样的二元混合纳米填料在干滑动条件下创造了复杂的界面相互作用，进一步优化了润滑效果[35]。因此，战略性地选择具有互补结构特性的填料组合是通过优化各种工作环境下的耐磨性和摩擦降低来定制复合材料界面的有效方法。
GO和MWCNTs改善了UHMWPE材料的摩擦学性能。更重要的是，GO和MWCNTs表现出协同润滑效应，提升了这类聚合物复合材料的摩擦学性能。然而，UHMWPE复合材料中这些协同效应的机制尚不清楚。在本研究中，通过分别掺入GO、MWCNTs或GO/MWCNTs（GCNTs）制备了UHMWPE混合复合材料，即UHMWPE/GO、UHMWPE/MWCNTs和UHMWPE/GCNTs。使用环块摩擦磨损测试机对这些复合材料的水润滑摩擦和磨损性能进行了实验评估。还通过分子动力学（MD）模拟在微观层面上研究了GO和MWCNTs在水润滑条件下对UHMWPE的协同润滑效应。了解GO和MWCNTs增强UHMWPE润滑性能的协同机制对于设计具有高耐磨性的水润滑轴承材料以支持在低速和重载条件下的长寿命运行至关重要。
