采用石墨烯改性环氧涂层提高水润滑径向柱塞泵配对件的摩擦学性能 张志明、 张曦、 张梦璐、 左健和 朱一飞

《Lubricants》：Improving Tribological Performance of Water-Lubricated Radial Plunger Pairs with Graphene-Modified Epoxy Coatings Zhiming Zhang, Xi Zhang, Menglu Zhang, Jian Zuo and Yifei Zhu

　　摘要 水润滑的活塞-缸体组合是液压系统中的关键摩擦学部件，但其边界润滑条件下的性能往往受到高摩擦和严重磨损的限制。传统的环氧树脂涂层仅能提供有限的改善效果。本研究开发了石墨烯改性的环氧复合涂层，并将其应用于活塞基材上，然后通过扫描电子显微镜、白光干涉测量和纳米压痕技术对其进行表征。在模拟泵送条件（压力16 MPa，转速1500 r/min）下，使用往复式摩擦测试仪评估了其摩擦学性能。与纯环氧涂层相比，石墨烯改性涂层将摩擦系数降低了33.9%，磨损率降低了77.2%；而氧化石墨烯改性涂层分别将摩擦系数降低了16.1%，磨损率降低了64.5%。这些结果表明，石墨烯改性的环氧复合涂层为提高水润滑系统的耐用性和效率提供了有效的表面工程解决方案，在水力应用中具有广阔的前景。

1. 引言
作为现代液压传动系统的核心动力部件，水润滑的径向活塞泵被广泛认为是全机械化采矿设备的“心脏”，在煤炭开采机械、海洋工程、食品加工和冶金设备等多个工业领域发挥着不可或缺的作用[1]。与传统的油基系统相比，使用过滤后的淡水或海水作为工作介质的水力传动技术具有显著优势，包括环保、高安全性和低成本，因此已成为绿色液压技术发展的关键方向[2]。在径向活塞泵中，活塞-缸体组合是最多且最关键的摩擦对之一，它直接决定了泵的容积效率和使用寿命[3]。然而，水的动态粘度仅为矿物油的1/30至1/50，这给水润滑条件下的活塞-缸体组合带来了严峻的技术挑战[4]。水的低粘度使得在摩擦界面上难以形成稳定且连续的润滑膜，从而使活塞和缸孔容易发生边界润滑甚至干摩擦[5]，从而导致磨损率显著增加，并可能引发活塞卡死、高压泄漏和密封件失效等严重后果[6,7,8]。此外，水介质还会加剧摩擦对材料的电化学腐蚀[9]。因此，活塞-缸体组合的摩擦和磨损问题已成为限制水润滑径向活塞泵向高压、高效率和高效方向发展的关键技术瓶颈[10]。
2004年，E. Peter等人[11]通过激光熔覆技术改进了商用氧化铝陶瓷和氧化铝-锆石陶瓷（ZTA），以改善其在带有介质润滑的往复滑动接触中的摩擦学性能，例如在密封活塞泵中遇到的情况。在环-盘式实验室摩擦测试仪中进行的无润滑和介质润滑测试表明，经过边缘层改性的陶瓷配对比商用陶瓷具有更高的耐磨性。2016年，Wu等人[12]使用环-环式摩擦磨损测试仪研究了不同TiO2含量的Al2O3–TiO2涂层与Si3N4陶瓷在含沙水和自来水润滑条件下的摩擦学特性，结果表明Al2O3–13%TiO2涂层是水力泵中与Si3N4摩擦对的首选材料[12]。2019年，Nie等人[13]使用销-销式摩擦磨损测试仪研究了17-4PH不锈钢以及涂有Cr3C2–NiCr、WC–10Co–4Cr、Cr2O3和Al2O3–13%TiO2的17-4PH不锈钢在水润滑条件下的摩擦和磨损行为，旨在提高水力活塞泵中关键摩擦对的耐磨性[13]。2023年，Li等人[14]研究了CF-PEEK复合材料在水中与316L和1Cr17Ni2的摩擦学性能，表明提高金属的耐磨性对于水润滑活塞泵的发展至关重要[14]。Li Ran等人[15]使用两种类型的缸-盘式试样对五种铜基材料和三种PEEK基复合材料进行了摩擦和磨损测试，以模拟水力径向活塞泵中的滑动/偏心驱动和活塞/活塞套间隙密封摩擦对，并通过扫描电子显微镜、轮廓测量和能量分散光谱分析了这两种摩擦对的磨损机制[15]。2024年，Li等人[16]研究了水力径向活塞泵动力端滑块/偏心凸轮摩擦对在不同润滑条件下的摩擦学行为[16]。2025年，Liang等人[17]设计了一种受天然生物表面结构启发的多层复合纹理，以减少海水液压轴向活塞泵中滑块的磨损。使用CF/PEEK和316L不锈钢进行了摩擦和磨损实验，并分析了不同表面纹理的摩擦学特性[17]。2026年，Liang等人[18]通过摩擦和磨损测试研究了431不锈钢与CF/PEEK的摩擦系数、温度和磨损率，并采用NSGA-II算法对关键纹理参数进行了多目标优化，结果显示六边形纹理具有最佳性能，摩擦系数降低了32%，同时长宽比显著影响了水膜的承载能力和减摩效果[18]。
表面工程技术已成为提高摩擦学部件使用寿命的有效方法[19]，其中有机涂层由于其优异的减摩性能、良好的适应性及简单的制备工艺而受到广泛关注。基于聚合物的涂层可以在摩擦界面上形成转移膜，有效防止金属基材之间的直接接触，从而降低摩擦系数和磨损率[20]。尽管工程塑料如聚四氟乙烯（PTFE）和聚醚醚酮（PEEK）已取得一定的减摩效果[21,22]，但它们的机械强度有限且粘附力不足，限制了其在高压活塞泵中的广泛应用[23]。环氧树脂因其优异的粘附性、机械强度和成膜能力而被广泛用于金属保护[24]，但其固有的高交联密度和脆性使其在交替载荷下容易产生磨损碎屑和微裂纹[25]；此外，其自我润滑性能有限，导致在水润滑条件下的摩擦系数较高且磨损寿命较短[26]，难以满足长期可靠运行的要求。因此，人们通过向环氧树脂中添加纳米填料来提升其综合摩擦学性能[27]。石墨烯具有独特的二维层状结构、出色的机械性能和优异的自我润滑特性[28]，可以在环氧基质中形成物理屏障，有效传递载荷并抑制裂纹扩展[29]；同时，在摩擦过程中它可以剥离并转移到界面，形成低剪切力的润滑膜，显著降低摩擦系数[30]。
大量研究表明，石墨烯改性的环氧涂层在干摩擦和油润滑条件下的性能优异。2013年，Shen等人[31]研究了氧化石墨烯（GO）/环氧纳米复合材料的摩擦学特性；与光滑钢基材的摩擦和磨损测试表明，当GO含量为0.5 wt%时，比纯环氧树脂的特定磨损率降低了90.0–94.1%，证明了GO在提高环氧树脂耐磨性方面的显著优势[31]。2015年，Duzcukoglu等人[32]研究了加入多壁碳纳米管（MWCNTs）和氮化硼（BN）改性的环氧树脂的摩擦和摩擦学行为，并与纯环氧树脂进行了比较；观察到纳米粒子改性提高了耐磨性，同时降低了摩擦系数和操作温度[32]。Xu等人[33]通过喷涂和浸涂方法研究了超疏水性聚合物涂层的制备，并讨论了这两种技术在大面积涂层制备中的可行性，证明喷涂和浸涂都可以在各种基材上形成均匀涂层，适用于大规模工业应用[33]。2021年，Alessia Serena Perna等人[34]对通过冷喷涂沉积在钢和铝基材上的碳纤维和玻璃纤维增强聚丙烯复合涂层进行了纳米压痕测试，并讨论了纤维和喷涂粉末对涂层性能的影响[34]。Bao等人[35]使用聚醚胺功能化的氧化石墨烯制备了环氧复合材料，并研究了不同类型和含量填料的复合材料的机械、热和摩擦学性能；与纯树脂相比，含有0.2 wt%填料的聚醚胺功能化GO/环氧复合材料表现出最佳的摩擦学性能、热稳定性和机械性能[35]。Zhao等人[36]利用改性的石墨烯和聚四氟乙烯（PTFE）改善了环氧涂层的摩擦学性能，通过脱水乙二胺还原氧化石墨烯来增强其在环氧树脂中的分散性和石墨烯与环氧基质的界面结合[36]。通过向环氧树脂中添加不同浓度的RGO-EDA制备了RGO-PTFE/EP复合涂层，并进行了摩擦学实验，结果显示加入RGO-EDA和PTFE后环氧涂层的摩擦系数和磨损率显著降低[37]。2022年，Xia等人[37]使用涂有分散石墨烯（graphene spheres, g-AM）的碳球作为填料，通过直接混合和固化方法制备了环氧复合材料。与纯固化环氧树脂相比，当E-g-AM含量为20 wt%时，E-g-AM/EP复合材料的磨损率降低了95%。这种优异的耐磨性归因于碳球和石墨烯的协同效应，其中碳球提高了肖尔硬度和弯曲强度，从而降低了磨损率[38]。2024年，Hao等人[38]将氧化石墨烯（G）加入环氧树脂中，并全面分析了G（GO）的结构差异和相似性、最新的制备方法及其相互关系，旨在提高GO改性环氧复合材料的阻燃性、机械性能、耐腐蚀性、热性能和耐磨性[38]。
综上所述，现有研究主要集中在将各种类型的纳米材料掺入环氧涂层中，以利用填料的优异自我润滑性能，从而有效降低摩擦系数和耐磨性。然而，这些研究主要集中在干摩擦或油润滑条件下的涂层性能改进，以及平面基材上的涂层制备。关于石墨烯/环氧复合涂层在水润滑条件下的摩擦学行为的系统研究仍然相对有限，对轴部件表面的涂层制备过程的研究也不足以满足实际需求。因此，在本研究中，根据活塞泵的实际运行条件（如高压交替载荷和往复运动模式）制备了不同石墨烯含量的环氧复合涂层。在模拟的往复运动和水润滑条件下系统地研究了其摩擦学性能，阐明了润滑机制，并优化了制备过程。结合微观结构表征，分析了摩擦学机制。本研究旨在为水润滑活塞-缸体组合的表面保护提供有效的技术解决方案，具有重要的理论价值和实际意义，有助于推动高性能水润滑液压组件的工程应用。因此，本研究的创新之处在于通过包含实际运行参数的实验室规模测试，系统评估了不同石墨烯含量的环氧涂层在水润滑条件下的摩擦学性能，并通过单活塞泵实验验证了涂层的可行性。

2. 材料与方法
2.1. 研究对象和摩擦学问题
图1a展示了海水润滑径向活塞泵的总体结构，包括主轴、阀板、底板、偏心套筒、深沟球轴承以及上下两层活塞组件。每层中的活塞均匀分布在圆周上。主轴通过安装偏心套筒和深沟球轴承形成偏心凸轮。活塞缸的前端装有一个回程弹簧，确保活塞杆的滚珠头与偏心凸轮的外圆周表面紧密接触。在运行过程中，海水润滑的径向活塞泵完全浸没在液体工作介质中。电机驱动安装在活塞泵主轴上的中心凸轮旋转，在偏心凸轮和回程弹簧的相互作用下，实现活塞杆的往复线性运动。

2. 材料和方法在这样的运动和液压作用下，水泵中形成了两个主要的摩擦副：凸轮/球头副和活塞/缸套副。其中，凸轮/球头副表现为滚动摩擦，这导致其摩擦系数低于滑动摩擦副。相比之下，活塞/缸套副的结构更为复杂，如图1b所示。活塞通过滚动直线轴承、辅助支撑环和POM支撑环的联合作用来导向，以尽可能保证中心对齐，并减小与缸口的接触面积。然而，凸轮的存在不可避免地会在活塞上产生侧向力。此外，水介质的特性阻碍了缸口处有效的润滑形成，导致活塞-缸套副出现严重的摩擦和润滑问题。图1c展示了一个磨损的活塞。2.2 样品制备 2.2.1 材料组成活塞-活塞腔摩擦副由两组接触面材料组成：316L不锈钢/改性EP涂层对对应活塞杆-缸口摩擦副，而聚氧甲基丙烯烃（POM）/改性EP涂层对对应活塞杆-支撑环摩擦副。因此，测试中的上试样为316L不锈钢球和POM球，而下试样则由涂有不同质量分数石墨烯的316L不锈钢基底组成。在水中润滑条件下，评估了不同成分参数的316L不锈钢基底及涂层的摩擦和磨损特性，以研究材料组成对摩擦学性能的影响。测试试样的规格和尺寸见表1。选择石墨烯、氧化石墨烯和水溶性环氧树脂来制备下试样涂层。石墨烯具有单层片状结构，而氧化石墨烯则采用Hummers方法制备。实验中使用的主要化学试剂列于表2。表1. 试样参数。表2. 实验中使用的化学试剂。由于实验条件的限制，使用了市售产品，并引用了制造商提供的表征数据。石墨烯和氧化石墨烯的具体参数，包括层数、粒度和比表面积，见表3。石墨烯和GO的SEM图像和拉曼光谱见图2。表3. 石墨烯和氧化石墨烯的表征。图2. 石墨烯和氧化石墨烯的材料表征。2.2.2 制备方法使用电子天平称取适量的环氧树脂并放入烧杯中，然后加入质量分数分别为0 wt.%、0.2 wt.%、0.4 wt.%、0.6 wt.%、0.8 wt.%和1.0 wt.%的石墨烯和氧化石墨烯，进行30分钟的超声分散处理，再使用磁力搅拌器搅拌30分钟。随后加入固化剂，按环氧树脂与固化剂的质量比为3:1的比例，低速搅拌15分钟以获得涂层材料。316L不锈钢下试样依次用200目、400目、600目、800目和1000目的砂纸打磨。再将基底浸入无水乙醇中，并在超声清洗器中清洗以去除表面油污和杂质，然后干燥。在涂层制备前，将基底固定在平面上，并将涂层材料置于涂抹器前部，通过移动涂抹器将涂层材料均匀分布在基底表面。涂层后的试样在孵育器中固化2小时，然后在室温下固化24小时。实验中使用的仪器和设备见表4，制备的样品见图3。表4. 实验中使用的仪器和设备。图3. 摩擦和磨损测试试样。2.3 测试方法和条件本研究采用了TriboStudio（台湾桃园市）TS20高性能摩擦和磨损测试仪，采用球-盘接触配置来模拟活塞-活塞腔摩擦副的实际工作条件。上试样通过高精度砝码和杠杆系统施加精确的法向力。负载、速度、测试时间和往复频率通过控制软件设定。下试样使用夹具安装在液体容器内，并加入去离子水以模拟实际工作条件下的摩擦副润滑条件。液体容器固定在测试平台上，如图4所示。材料参数见表5。表5. 摩擦和磨损测试的示意图。表5. 接触面对的材料参数。尽管涂层是一种粘弹性材料，但在本研究中，涂层厚度（150 μm）远小于接触面的宏观接触半径（5 mm），并且施加的负载相对较低，涂层的弹性模量也远低于金属基底。因此，接触变形主要受到刚性金属基底的限制，弹性变形占主导地位，这近似符合赫兹理论的假设[39]。然而，必须承认这个简化模型具有固有的局限性：它忽略了聚合物涂层的粘弹性耗散，未考虑水膜的流体动力压效应，也未考虑表面粗糙度的影响。赫兹接触理论中计算组合弹性模量的公式如下：(1) 其中E*是修正后的弹性模量（MPa），ν是泊松比。在球-平面接触模型中，接触半径使用以下公式计算：(2) 其中R是球半径（mm），F是法向载荷（N），a是接触半径（mm）。最大接触应力（MPa）由下式给出：(3) 作用在活塞上的侧向力计算为：T = Fsin α = 4900 × sin 3.37° = 288 N (4) 其中F表示驱动力，值为4900 N，α表示凸轮的最大压角，值为3.37°，活塞半径R取为10 mm，接触长度L取为8 mm。活塞表面涂有环氧树脂。根据计算，活塞上的侧向力约为288 N，对应的接触压力约为62.11 MPa。通过反向推导，确定球-盘模型所需的负载为1 N，得到的接触压力约为70.5 MPa，用于实际工作条件下模拟和验证涂层的减摩和抗磨性能。此外，为了研究涂层在更高应力条件下的摩擦学性能和耐久性，选择了7 N的负载作为对比条件。该负载下的最大接触应力为134.5 MPa，约为实际工作条件的2.2倍，用于加速磨损测试和极端条件评估。根据赫兹接触应力理论，计算了活塞-活塞腔摩擦对的接触压力。分别使用砝码施加1 N和7 N的负载，以模拟无负载和高压工作条件下的力条件。具体参数见表6。表6. 实验参数。测试前后，试样在无水乙醇中超声清洗5分钟以去除污染物。每次测试至少进行三次，并记录平均值及标准偏差。在中国矿业技术大学（北京）的实验室中，使用CIQTEK（合肥，中国）DB500扫描电子显微镜（SEM）、Rtec Instruments（圣何塞，CA，美国）UP-3000白光干涉仪和Dataphysics（菲尔德施塔特，德国）OCA 20接触角分析仪分析了试样表面。使用Mountainsmap软件Mountains 10.3.1提取磨损轨迹的截面轮廓和表面磨损体积。磨损率通过以下公式计算：(5) 其中Wv是磨损体积（mm3），通过白光干涉测量得到的磨损轨迹截面轮廓积分得出，Fl是法向载荷（N），S是滑动距离（m）。3. 结果与讨论 3.1 摩擦系数 3.1.1 316L-316L 摩擦副为了评估改性EP涂层的性能，在水中润滑条件下对316L球-316L基底接触面对进行了摩擦系数测试，结果摩擦系数-时间曲线见图5。在1 N和7 N的负载下，316L球-316L摩擦对的摩擦系数在200秒内迅速增加，逐渐从磨合期过渡到稳定磨损阶段。稳定后，1 N负载下的摩擦系数约为0.39，7 N负载下的摩擦系数约为0.42。测试结果表明，316L-316L摩擦对在水润滑条件下表现出相对较高的摩擦系数，负载的增加导致摩擦系数升高，这对活塞泵的运行效率和服务寿命不利。图5. 316L接触面的摩擦系数。3.1.2 316L-G/EP 涂层摩擦副在1 N负载下，不同石墨烯含量的316L-G/EP涂层摩擦对的摩擦系数-时间曲线见图6a。运动初期摩擦系数出现剧烈波动，在5分钟内迅速增加，之后逐渐稳定，表明316L不锈钢-EP涂层摩擦对有明显的磨合期。从摩擦系数曲线可以看出，不含石墨烯的纯EP涂层表现出最高的摩擦系数，稳定值为0.109。不同石墨烯含量的接触面对在1 N负载下的稳定磨损阶段的摩擦系数见图6b。随着石墨烯含量的增加，摩擦系数先显著降低，然后逐渐升高。含有0.6 wt.%石墨烯的涂层达到了最低的稳定摩擦系数0.072，比不含石墨烯的涂层降低了33.94%。与316L-316L接触面对相比，0.6 wt.%石墨烯涂层的稳定摩擦系数降低了81.5%。图6. 1 N负载下316L-G/EP涂层的摩擦系数。在7 N负载下，不同石墨烯含量的316L-G/EP涂层摩擦对的摩擦系数-时间曲线见图7a。运动初期摩擦系数出现剧烈波动，在2分钟内迅速增加，之后逐渐稳定，表明316L不锈钢-EP涂层摩擦对在7 N负载下仍有明显的磨合期，尽管持续时间缩短。从摩擦系数曲线可以看出，随着石墨烯含量的增加，摩擦系数先降低然后升高。不含石墨烯的纯EP涂层表现出最高的稳定摩擦系数，值为0.096。不同石墨烯含量的接触面对在7 N负载下的稳定磨损阶段的摩擦系数见图7b。含有0.6 wt.%石墨烯的涂层达到了最低的稳定摩擦系数0.083，比不含石墨烯的涂层降低了11.42%。与316L-316L接触面对的摩擦系数曲线相比，0.6 wt.%石墨烯涂层的稳定摩擦系数降低了80.2%。图7. 7 N负载下316L-G/EP涂层的摩擦系数。总之，在1 N和7 N负载下，所有含石墨烯的EP涂层的摩擦系数均低于316L球-316L基底摩擦对。在所有组成参数中，含有0.6 wt.%石墨烯的EP涂层在水润滑条件下表现出最低的摩擦系数，表明其最佳的减摩性能。不含石墨烯的纯EP涂层显示出最高的摩擦系数，表明其润滑性能低于所有含有石墨烯的改性涂层。3.1.3. 316L-GO/EP涂层的摩擦特性 在1 N的负载下，不同氧化石墨烯含量的316L-GO/EP涂层摩擦对的摩擦系数-时间曲线如图8所示。在运动初期，摩擦系数出现剧烈波动，在4分钟内迅速增加，随后在某个范围内保持稳定，这说明316L不锈钢-氧化石墨烯改性的EP涂层摩擦对也具有明显的磨合期。不含石墨烯的纯EP涂层显示出最高的摩擦系数，平均值为0.106。在1 N的负载下，不同氧化石墨烯含量的摩擦副在稳定磨损阶段的摩擦系数如图8所示。随着氧化石墨烯含量的增加，摩擦系数先显著下降，然后逐渐上升。含有0.8 wt.%氧化石墨烯的涂层达到了最低的稳定摩擦系数0.089，与纯EP涂层相比降低了16.1%。与316L-316L摩擦副的摩擦系数曲线相比，最低平均摩擦系数降低了64.4%。 图8. 在1 N负载下316L-GO/EP涂层的摩擦系数。 在7 N的负载下，不同氧化石墨烯含量的316L-GO/EP涂层摩擦对的摩擦系数曲线如图9a所示。在运动初期，摩擦系数出现剧烈波动，在5分钟内迅速增加，随后在某个范围内保持稳定，这说明316L不锈钢-氧化石墨烯改性的EP涂层摩擦对在7 N的负载下也具有明显的磨合期。不含石墨烯的纯EP涂层显示出最高的摩擦系数，平均值为0.096。在7 N的负载下，不同氧化石墨烯含量的摩擦副在稳定磨损阶段的摩擦系数如图9b所示。随着氧化石墨烯含量的增加，摩擦系数先显著下降，然后逐渐上升。含有0.8 wt.%氧化石墨烯的涂层达到了最低的稳定摩擦系数0.076，与不含氧化石墨烯的EP涂层相比降低了20.8%。与316L-316L摩擦副的摩擦系数曲线相比，最低平均摩擦系数降低了81.9%。 图9. 在7 N负载下316L-GO/EP涂层的摩擦系数。 总而言之，在1 N和7 N的负载下，所有含有氧化石墨烯的EP涂层的摩擦系数都低于316L球-316L基材摩擦对。在所有组成参数中，含有0.8 wt.%氧化石墨烯的EP涂层显示出最低的摩擦系数，表明其在水润滑条件下的润滑性能最佳。不含氧化石墨烯的纯EP涂层显示出最高的摩擦系数，表明其润滑性能低于含有GO/EP的涂层。3.2. 磨损量 在7 N负载下进行磨损测试后，不同氧化石墨烯含量涂层的接触表面横截面轮廓如图10a所示，相应的磨损轨迹形态如图10b–f所示。结果表明，随着氧化石墨烯含量的增加，摩擦对的磨损率先降低然后增加，磨损轨迹深度也表现出先减小后增大的趋势。不含石墨烯的纯EP涂层的最大磨损轨迹深度为4.4 μm，而含有0.6 wt.%氧化石墨烯的EP涂层的最大磨损轨迹深度仅为0.6 μm。在相同的测试条件下，含有0.6 wt.%氧化石墨烯的涂层的磨损量最小。与不含石墨烯的纯EP涂层相比，磨损率降低了77.19%；与未经涂层的316L表面相比，磨损率降低了66.57%。这些结果表明，在水润滑条件下，含有0.6 wt.%氧化石墨烯的EP涂层表现出最佳的润滑性能。 图10. 316L-G/EP摩擦副的磨损轨迹形态和横截面轮廓。 在7 N负载下进行磨损测试后，不同氧化石墨烯含量涂层的接触表面横截面轮廓如图11a所示，相应的磨损轨迹形态如图11b–f所示。随着氧化石墨烯含量的增加，摩擦副表面的磨损量先减小然后增加，磨损轨迹深度也呈现出先减小后增大的趋势。不含石墨烯的纯EP涂层的最大磨损轨迹深度为4.4 μm，而含有0.8 wt.%氧化石墨烯的EP涂层的最大磨损轨迹深度为1.5 μm。比较不同氧化石墨烯含量的摩擦对磨损率发现，在相同的测试条件下，含有0.8 wt.%氧化石墨烯的涂层的磨损量最小。与不含石墨烯的纯EP涂层相比，磨损率降低了64.48%；与未经涂层的316L表面相比，磨损率降低了48.39%。这些结果表明，在水润滑条件下，含有0.8 wt.%氧化石墨烯的EP涂层在各种比例的氧化石墨烯改性EP涂层中表现出最佳的润滑性能。 图11. 316L-GO/EP摩擦副的磨损轨迹形态和横截面轮廓。 图12. 显示了不同氧化石墨烯含量的涂层在磨损测试后的接触表面磨损率。无论是含有石墨烯还是氧化石墨烯的改性EP涂层，都能显著降低水润滑条件下的磨损率。石墨烯在0.6 wt.%的含量下表现出最佳的抗磨损性能，这主要得益于其层状结构能够形成物理转移膜从而实现自润滑。氧化石墨烯在0.8 wt.%的含量下表现出最佳性能，这得益于其含氧官能团的亲水性，在水介质中形成水合润滑膜。石墨烯改性的EP涂层在磨损率上的降低略优于氧化石墨烯改性的EP涂层；然而，氧化石墨烯在较高含量下仍保持较好的水分散性并维持相对良好的润滑性能。过量添加任何填料都会导致涂层的耐磨性能下降。 图12. 磨损率比较。3.3. 磨损形态 图13展示了316L-316L摩擦副表面的扫描电子显微镜（SEM）图像，放大倍数为150×和500×。在低倍率下，磨损轨迹呈现出连续的平行沟槽，整体轮廓较深，表面上分布着由于材料剥落形成的不规则凹坑。在高倍率下，可以在磨损轨迹内观察到明显的犁沟和塑性变形带，以及沟槽边缘的材料堆积和挤出现象。同时，磨损表面上还可以看到局部的粘附撕裂痕迹。此外，在犁沟的底部和侧壁还观察到了微裂纹和地形起伏。这些形态特征表明这种摩擦对的磨损过程中涉及多种磨损机制：犁沟和塑性变形带是磨料磨损的典型形态；粘附撕裂痕迹对应于粘附磨损引起的表面损伤；而微裂纹和地形起伏则是循环应力条件下表面疲劳损伤的表现。 图13. 316L-316L摩擦副磨损轨迹的SEM图像。 图14展示了316L-EP涂层摩擦副表面的扫描电子显微镜图像，放大倍数为150×和500×。如图所示，未经改性的环氧树脂涂层的磨损表面形态粗糙，磨损区域呈宽而连续的带状分布，局部区域有明显的材料堆积和剥落凹坑。在高倍率下，磨损表面分布着细小而浅的微犁沟以及不规则的剥落孔洞；存在广泛的分层剥离和脆性断裂特征；在局部区域还可以观察到由材料撕裂形成的碎屑和不规则凹坑，这是聚合物涂层粘附撕裂和分层剥离的典型特征。 图14. 316L-EP涂层摩擦副磨损轨迹的SEM图像。 图15展示了磨损测试后316L–G/EP涂层摩擦副接触表面的SEM形态。在150×的低倍率视野下，磨损轨迹呈现出连续且狭窄的带状分布，与未磨损的基底有明显的分界。磨损区域整体较为平坦，没有明显的材料剥落或絮状堆积；只能在滑动方向观察到浅而排列整齐的平行微沟。在500×的高倍率下，磨损表面显示出密集的塑性流动变形形态，沟槽边缘光滑，没有明显的脆性撕裂痕迹。只有少量的细小磨损碎片局部附着，未观察到未经改性涂层中典型的分层剥离和广泛的粘附折叠结构。 图15. 316L–G/EP涂层摩擦副的SEM图像。 图16展示了磨损测试后316L–GO/EP涂层摩擦副接触表面的SEM形态。在150×的低倍率视野下，磨损轨迹呈现出连续的定向带状分布，滑动方向上有浅而排列整齐的平行微沟。磨损区域整体较为平坦，没有明显的材料剥落或絮状堆积结构。在500×的高倍率下，磨损表面显示出密集的微观结构，沟槽边缘光滑规则。只有少量的细小磨损碎片局部附着，没有明显的严重损伤特征，如粘附撕裂或分层剥离。 图16. 316L–GO/EP涂层摩擦副的SEM图像。 总之，与氧化石墨烯（GO）改性的涂层相比，含有石墨烯（G）的涂层表现出更好的减摩和耐磨性能，摩擦系数分别降低了33.9%和16.1%，磨损率分别降低了77.2%和64.5%。这种差异主要是由于以下因素造成的：首先，G具有完整的sp2碳晶格结构，低的层间剪切强度赋予了优异的层间滑动润滑能力[40]，通过摩擦过程中形成物理转移膜来减少界面剪切。相比之下，GO表面的大量含氧官能团破坏了石墨烯天然易剪切的结构；虽然有利于分散，但这些官能团降低了其固有的润滑性。其次，GO的强亲水性使其在水润滑条件下更容易吸水膨胀，导致涂层局部模量下降和承载能力降低，尽管含氧官能团可以与水分子结合形成水合润滑膜[41]。相反，G相对较高的疏水性在一定程度上抑制了水渗入涂层内部。此外，GO表面上的官能团可能在固化过程中参与环氧交联反应，虽然增强了界面结合，但也给润滑层的剥离和转移膜的形成带来了过度约束。相比之下，G在0.6 wt.%的含量下通过形成有效的转移膜实现了最佳的减摩和耐磨性能，而GO由于其优异的分散性，在较高含量下性能下降缓慢，最佳含量为0.8 wt%。关于界面结合状态，磨损轨迹的SEM形态未显示出G层的大规模拉伸或界面剥离现象，表明通过“超声波处理+机械搅拌”工艺制备的G/EP涂层具有良好的界面相容性。这种方法已在类似研究中证明能有效促进填料在环氧基体中的均匀分散和界面润湿[42]。3.4. 接触角特性 如图17a所示，纯环氧涂层的接触角为60°。环氧树脂分子结构中的羟基和环氧基等极性基团使其具有一定的亲水性，这有助于水分子在表面的吸附。如图17b所示，316L不锈钢基材的接触角为64°，表明基材表面处于清洁的亲水状态，为有效的涂层附着提供了有利的基础。如图17c所示，添加0.6 wt.%的石墨烯后，涂层的接触角增加到68°，表明其疏水性增强。这种变化可以归因于石墨烯本身的疏水性——石墨烯的六边形碳环结构会排斥水分子，且其在涂层表面的均匀分布形成了低表面能的微域，从而降低了涂层的整体表面能。图17显示了接触角测量结果。如图17d所示，添加0.8 wt.%的氧化石墨烯后，涂层的接触角增加到70°，略高于添加石墨烯后的涂层。氧化石墨烯中的含氧官能团可以与环氧树脂基体发生化学结合，消耗表面上的极性基团，从而降低表面能。同时，氧化石墨烯层在涂层表面上形成的微纳米复合结构增强了疏水效果。

对于水润滑的活塞-气缸对，亲水表面（接触角<90°）有助于水膜的扩散，而过度亲水的表面（<30°）则容易因膨胀而导致涂层失效。相反，强疏水表面（>90°）由于难以维持稳定的水膜而加剧边界润滑[43]。在本研究中，68–70°的接触角对应于中等的疏水性，这有助于减少摩擦部件之间的粘附力，同时保持一定的水膜形成能力。本研究中检查的所有涂层都在这个理想的范围内，从而为后续实现令人满意的水润滑摩擦性能奠定了良好的表面润湿基础。

总之，在本研究中，水介质在边界/混合润滑条件下扮演了两个主要角色。首先，水分子吸附到涂层表面并形成水化层，在摩擦剪切过程中提供承载和润滑功能。这就要求涂层表面具有适当的润湿性——既能促进水膜的扩散，又能避免过度渗透导致基体塑性化。接触角测量表明，G/EP和GO/EP涂层的接触角分别从纯EP的约60°增加到68°和70°，处于有利于水润滑的中等疏水范围内。其次，在高速运行（1500 r/min）条件下，水介质可能会产生一定的流体动力压效应。尽管本研究中施加的载荷相对较高（16 MPa），且润滑模式主要为边界/混合润滑，但水膜的冷却效应有效抑制了摩擦热的积累，从而减轻了涂层的热软化失效。

4. 性能测试
4.1. 涂层制备与实验
为了验证涂层在实际工作条件下的摩擦性能，使用单活塞泵试验台进行了实验。分别制备了未涂层和涂层的活塞杆，并使用白光干涉仪观察和分析了测试后的活塞杆磨损表面。涂层制备过程如图18a所示。喷涂装置主要由供气系统、喷枪、千分尺、机床和固定支架组成。实验中使用的喷枪是Iwata公司生产的W-71型号。活塞杆基材为316L不锈钢，图18b展示了未涂层活塞杆的外观。在涂层制备之前，将活塞杆的外径加工到φ19.7f6，并通过超声波清洗去除表面污染物，如油渍和氧化皮。选择了含有0.6 wt.%石墨烯改性的环氧树脂（EP）涂层。喷涂参数如下：喷涂时间为11秒，喷涂距离为220毫米，喷枪压力为0.29 MPa，工件旋转速度为30 r/min。涂层完全固化需24小时，如图18c所示。根据国际标准[44]规定的测量程序，使用涂层厚度计在圆周方向上的六个随机位置测量涂层厚度。测量结果如表7所示，测量值的算术平均值为148 μm，标准偏差为3.16 μm，表明涂层具有优异的均匀性。此外，使用千分尺测量了圆柱形表面尺寸，结果符合活塞的间隙要求。

单活塞泵试验台主要由水箱、固定横梁、永磁同步电机、电机支撑框架、联轴器、单活塞泵、LVDT位移传感器和压力传感器等其他组件组成，如图19a所示。单活塞泵的内部结构与完整泵的一致，如图19b所示。测试程序如下：启动电机并调整到100 r/min的旋转速度5分钟以排除管道中的空气；稳定运行后，将电机速度提高到额定速度1500 r/min，并使用减压阀将系统压力调整到16 MPa，然后连续运行10小时。测试完成后，拆卸单活塞泵并取出活塞杆。

4.2. 实验结果与分析
测试后，首先对活塞杆进行超声波清洗，然后使用白光干涉仪测量其表面的磨损区域，并计算磨损率。测试前后测量区域保持一致。如图20a所示，区域A对应于未涂层316L活塞杆与活塞缸口的接触面，那里有明显的磨损痕迹；区域B对应于未涂层316L活塞杆与线性滚动轴承的接触面，观察到连续且深度较大的轴向划痕。如图20b所示，未涂层316L活塞杆表面的区域A，最大磨损深度为32.6 μm，平均磨损深度为5.05 μm，单位面积磨损体积为5.05 μm3。如图20c所示，未涂层316L活塞杆表面的区域B，最大磨损深度为21.94 μm，平均磨损深度为3.29 μm，单位面积磨损体积为3.28 μm3。

如图21a所示，区域C对应于G/EP涂层活塞杆与活塞缸口的接触面，磨损痕迹明显减轻；区域D对应于G/EP涂层活塞杆与线性滚动轴承的接触面，涂层表面只有少量散落的浅划痕，没有明显的剥落现象。如图21b所示，G/EP涂层活塞杆表面的区域C，最大磨损深度为8.49 μm，平均磨损深度为2.137 μm，单位面积磨损体积为2.13 μm3。与未涂层316L活塞杆表面的区域A相比，最大磨损深度减少了73.96%，平均磨损深度减少了57.82%，单位面积磨损体积减少了57.82%，且磨损深度在表面上的分布更加均匀。如图21c所示，G/EP涂层活塞杆表面的区域D，最大磨损深度为6.37 μm，平均磨损深度为1.72 μm，单位面积磨损体积为1.72 μm3。与未涂层316L活塞杆表面的区域B相比，最大磨损深度减少了70.09%，平均磨损深度减少了47.72%，单位面积磨损体积减少了47.72%。

需要注意的是，本研究中进行的10小时滑动测试旨在作为概念验证，初步评估涂层在实际情况下水润滑条件下的可行性。当前结果表明，该涂层在短时间内具有良好的减摩擦和抗磨损潜力：磨损表面形态均匀，没有大面积脱层的迹象，表明涂层与基材之间的界面粘附良好；此外，在10小时的水润滑滑动后没有观察到明显的膨胀或剥离现象，表明具有可接受的心理防水性能。然而，考虑到在长时间摩擦过程中水分子可能会逐渐破坏界面结合，涂层的长期服务性能和潜在的退化行为需要进一步研究，因为本研究中尚未对防水性和界面耐久性进行系统评估。因此，后续工作将进行长达500小时的耐久性测试，期间将系统监测摩擦系数和磨损率的变化，以更全面地评估该涂层系统的工程应用前景。

5. 结论
本研究通过开发一种石墨烯改性的环氧树脂复合涂层，解决了水润滑径向活塞泵中活塞-气缸对的摩擦学挑战。结合在模拟泵工作条件下的往复摩擦测试，研究了水润滑条件下的表面润湿性和摩擦学性能，评估了改性涂层的应用潜力，并进行了实验验证。主要结论如下：
(1)摩擦学测试结果表明，与316L不锈钢和纯环氧树脂涂层相比，石墨烯改性和氧化石墨烯改性的EP涂层在水润滑条件下显著降低了摩擦系数和磨损率。当石墨烯含量为0.6 wt.%时，摩擦系数为0.072，比316L-316L配合面对比降低了81.5%，磨损率降低了66.57%。当氧化石墨烯含量为0.8 wt.%时，摩擦系数为0.089，比316L-316L配合面对比降低了64.4%，磨损率降低了48.39%。
(2)磨损形貌分析显示，改性EP涂层的摩擦性能显著优于316L-316L配合对。石墨烯改性和氧化石墨烯改性的EP涂层的磨损表面整体相对平整，与未磨损基材的边界清晰，没有材料剥落的明显迹象，显示出良好的减摩擦和抗磨损性能。
(3)接触角测量表明，纯环氧树脂涂层的接触角为60°，添加0.6 wt.%石墨烯后增加到68°，添加0.8 wt.%氧化石墨烯后增加到70°。这种适度的疏水性增强实现了水膜承载能力和界面粘附性之间的良好平衡，从而为水润滑工作条件提供了有益的界面润湿状态。
(4)单活塞泵实验表明，在循环加载和水润滑条件下，含有0.6 wt.%石墨烯的G/EP涂层活塞杆与未涂层316L活塞杆表面相比，单位面积磨损体积的最大减少了57.82%。该涂层表现出优异的摩擦稳定性和耐久性，有效提升了水润滑活塞-气缸对的摩擦性能，显示出其在工程应用中的良好潜力，为高性能水润滑液压组件的表面保护提供了一个可行的技术方案。