纳米二氧化钛(TiO2)增强玻璃/碳纤维复合材料的海洋轴承载荷性能研究

为解决海洋环境中轴承受高载荷、强腐蚀导致的磨损问题，研究人员通过将TiO2纳米颗粒(1.5% wt.)与玻璃纤维(4% wt.)、碳纤维(4% wt.)协同掺杂环氧树脂基体，开发出新型复合材料。实验显示该组合使磨损率降低54.4-57.45%，摩擦系数改善65%，SEM证实纳米颗粒均匀分布有效提升界面结合强度，为海洋装备关键部件设计提供新材料方案。

　　

在波涛汹涌的海洋环境中，船舶推进系统的核心部件——滑动轴承（journal bearings）长期承受着严苛考验。高机械载荷、持续摩擦以及盐水腐蚀的三重夹击，使得传统金属轴承面临磨损加剧、寿命骤减的困境。据统计，船舶维修成本中约23%与轴承失效直接相关。如何突破材料性能瓶颈，成为海洋工程领域亟待解决的"卡脖子"难题。

环氧树脂基复合材料因其可设计性强、耐腐蚀等优势进入研究者视野，但纯环氧树脂的耐磨性远不能满足需求。近年来，纳米技术为材料改性带来新机遇——钛白粉（TiO₂）纳米颗粒因其超高硬度（HV 1100）和化学稳定性，在提升聚合物机械性能方面展现出独特优势。与此同时，短切玻璃纤维和碳纤维的协同效应也备受关注：前者赋予材料优异刚度，后者则提供卓越的摩擦学特性。然而，纳米颗粒与纤维的配比优化、界面相互作用机制等关键科学问题仍未破解。

为攻克这一难题，研究人员设计了一套系统的材料创新方案。通过制备16种不同配比的复合材料样本，重点探究TiO₂纳米颗粒（1%、1.5%、2% wt.）与玻璃纤维（4-8% wt.）、碳纤维（4-8% wt.）的协同效应。所有样本先经过180天海水浸泡模拟实际工况，再采用ASTM G99标准的销-盘摩擦试验机进行测试，载荷设定为10N和15N两个梯度。

关键技术方法包括：1）超声辅助机械混合确保纳米颗粒均匀分散；2）特氟龙模具精密成型技术；3）扫描电镜（SEM）表征微观结构；4）回归分析验证数据可靠性（R²=0.974）。通过量化磨损率和摩擦系数，结合微观形貌分析，建立成分-结构-性能的构效关系。

4.1 磨损测试结果
在10N载荷下，1.5% TiO₂+4%玻璃纤维+4%碳纤维的组合表现最优，磨损率较纯环氧树脂降低54.4%。SEM显示该配比下纳米颗粒呈单分散状态，纤维与基体界面结合紧密。当TiO₂含量增至2%时，磨损率改善幅度下降至42.85%，电镜观察到明显的纳米团簇现象，证实过量添加会导致应力集中。

4.2 摩擦系数测试结果
相同配比材料在15N载荷下展现出更优异的摩擦学性能，摩擦系数从纯树脂的0.72降至0.253（改善64.8%）。研究发现碳纤维的润滑效应与TiO₂的"微滚珠"作用产生协同：纳米颗粒在接触面形成保护性转移膜，而碳纤维的层状结构有效降低剪切阻力。

5 SEM微观结构分析
电镜图像揭示关键机制：1.5% TiO₂样本中，纳米颗粒精准填充纤维与基体的界面间隙，形成"纤维-纳米桥联-树脂"的三维增强网络。而2% TiO₂样本出现粒径500nm以上的团聚体，这些缺陷成为裂纹萌生的优先位点。

7 轴承制造验证
基于优化配方成功试制出全尺寸复合材料轴承。与传统金属轴承相比，重量减轻40%，在模拟工况下的预期寿命提升2-3倍，为解决船舶"轻量化与长寿命不可兼得"的悖论提供新思路。

这项发表于《Results in Engineering》的研究具有三重突破意义：首先，确立1.5% TiO₂为最佳掺杂阈值，为纳米复合材料设计提供定量依据；其次，揭示纤维-纳米颗粒协同作用机制，即玻璃纤维承担主要载荷而碳纤维优化摩擦界面；最后，开发出可产业化的轴承制造工艺。该成果不仅适用于船舶装备，还可推广至潮汐能发电机、深海机器人等高端装备领域，为海洋强国战略提供关键材料支撑。未来研究可聚焦于纳米颗粒表面功能化改性，进一步提升复合材料在极端工况下的环境适应性。