1.目的及意义

尾轴承用于支撑螺旋桨轴，是推进轴系的关键部件。与油润滑轴承相比，水润滑轴承具有资源节约、环境友好和噪声较低等特点，符合节能、环保和绿色航运的发展需求，它已成为舰船尾轴承的主要形式，并在民用船舶中被广泛应用^[1]。但是，水润滑尾轴承使用船舶周围的水作润滑剂，这种低润滑极大地降低了尾轴承的承载能力。另一方面，随着船舶吨位的增加，螺旋桨轴在螺旋桨重力的作用下发生挠曲变形，导致尾轴承边缘负荷增大。此外，尾轴承还承受各种不确定性载荷，如螺旋桨不平衡力、不均匀流场对螺旋桨的激振力、船体变形后所产生的附加力等。在恶劣工况下，尾轴承常出现磨损、剥落、分层和噪声等故障。特别是在低速、重载、频繁启停和沙粒侵扰等条件下，船舶水润滑尾轴承存在磨损严重、异常摩擦噪声显著等问题，影响船舶轴系的安全和寿命^[2]。

传统尾轴管的滑油泄露是造成海洋污染的原因之一。在巨大的海洋环境压力推动下，国际海洋的环保法规对于尾轴承环保性能的要求变得更加严格。随着水润滑尾轴承的技术逐渐成熟，以水为润滑冷却介质的水润滑尾轴承已经应用到各类舰船上，通过运用改性复合材料可以大大降低滑油泄露的风险^[3]。此外，水润滑尾轴承的结构简单、维修方便和原材料丰富。但是水的黏度约为润滑油的十分之一，水的承载能力小于润滑油，尾轴在低速重载工况下，轴与轴承润滑处于边界润滑或干摩擦，润滑条件不良，易产生严重磨损。为减少水润滑尾轴承在润滑不良产生的磨损，研发具有自润滑性能的水润滑轴承材料成为了当下的研究热点^[4-5]。研究发现二氧化硅纳米颗粒作为润滑油添加剂表现出了良好的摩擦学性能，有效的提高润滑油减摩抗磨性能。在普通橡胶中添加少量纳米二氧化硅后，产品的强度、耐磨性和抗老化性等性能均达到或超过高档橡胶制品^[6]。

近年来，许多机械系统对表面和界面性能的要求越来越高，表面设计与制造技术急需进一步改进，纳米二氧化硅材料由于具有独特的力学性能已成为摩擦学应用研究的热点^[6]。作为纳米材料的一项重要应用，纳米颗粒在摩擦学领域的应用特别是其作为润滑油添加剂的应用逐渐受到科研人员的关注。纳米二氧化硅与其他聚合物混合成复合材料后不仅能集合两种材料的性能，还会产生一些复合性能，正因如此被广泛应用于涂料、黏合剂、塑料和阻燃材料等的生产中^[7]。

聚合物基纳米复合材料在力学、光学、电学和磁学等各方面表现出许多优异的性能，受到了广泛关注并迅速发展^[8]。其中，纳米 SiO₂是目前已经大规模工业化生产并且应用最广泛的纳米材料之一。纳米 SiO₂具有高表面活性、高比表面积、耐高温、耐腐蚀以及无毒无污染等性能，已作为优良的结构和功能材料应用于橡胶、塑料、涂料等领域。由于聚合物/纳米 SiO₂复合材料具有优异的物理和化学性能，已成为聚合物纳米复合材料领域的研究热点之一^[8]。

纳米二氧化硅主要特性源于其纳米级的粒径，超大的比表面积，良好的表面吸附力以及微观结构可设计性。纳米级粒径赋予二氧化硅可以改变材料光学性能；而大的比表面积，孔隙作用和表面羟基，使纳米二氧化硅可用作纳米复合材料组成的微观单元；在与聚合物改性方面，其可以制备出目标性能优异，而其他性能提升或不下降的材料；纳米二氧化硅与聚合物的复合结构可以从根本上提升二氧化硅的分散性，避免二氧化硅团聚和材料应力集中的产生，从而增加材料韧性及拉伸强度^[9]。

为降低润滑不良造成的尾轴承磨损，试验工况条件下，改性复合材料能够提升材料的摩擦学性能。本研究采用纳米二氧化硅改性复合材料，提升水润滑尾轴承复合材料摩擦磨损性能，提高船舶推进系统的运行可靠性。

2.国内外研究现状

水润滑尾轴承由于具有节能环保、材料资源丰富等特点，一直是各国争相研究的热点之一。水润滑尾轴承自用于船舶尾管轴承至今，已经有超过了 170 多年使用经验。水润滑尾轴承材料的使用主要经历了3个阶段^[10]：第一阶段:以铁犁木为代表的木质材料阶段。铁犁木性能优异，但资源日渐稀少，价格昂贵。第二阶段:天然、丁腈、氯丁等单体橡胶材料应用阶段。但是因其一些无法克服的缺点限定了其使用范围，催动了飞龙、尼龙复合性材料的研发和使用。第三阶段:SPA、赛龙、BTG等以橡胶为基体，添加其他材料的复合材料使用阶段。通过对比几种水润滑尾轴承材料优缺点，已经看出，复合材料SPA的性能优于单一材料。总体来看，通过材料改性得到的复合材料由于综合了各自的优点使其性能更加优异，我认为未来的尾轴承材料发展趋势将会以性能优异的高分子及改性复合材料为主，而传统的铁梨木尾轴承材料将逐步被替代^[10]。