摘 要

船舶水润滑尾轴承的材料性能可以显著影响船舶的运行状况。尾轴承的工作状况要求材料自身具有高阻尼、低摩擦和较为良好的机械性能。因此设计制备满足上述要求的船舶水润滑尾轴承材料具有重要的科学意义应用价值。纳米粒子改性高分子聚合物往往可以提高材料的各方面性能，对于新型材料设计具有很强的指导意义。

基于以上研究背景，本研究分子动力学仿真和实验相结合，设计船舶水润滑尾轴承材料。首先以高密度聚乙烯（HDPE）为基体材料，在选取一种具有二维结构的二硫化钨纳米粒子（WS₂）的基础上，构建了高分子聚合物与纳米粒子的无定形仿真模型，并应用相关功能模块测试了其机械性能和阻尼性能。接下来制备了相同配方的试样，开展了实验，对其摩擦学性能进行了测试。结果表明，添加WS₂纳米粒子改性HDPE可以有效提高其机械性能、阻尼性能和摩擦学性能，不同的添加比例对性能的提高有较为显著的差异。

关键词：高密度聚乙烯；二硫化钨；摩擦磨损

Abstract

The properties of materials for the water-lubricated stern bearing of ships can significantly affect the running condition of ships. The working condition of the stern bearing requires that the material has high damping, low friction and good mechanical properties. Therefore, the design of meeting the above requirements for the water-lubricated stern bearing of ships has strong scientific significance and application value. Nano-particle modified polymer can often improve the performance of materials in all aspects, which has a strong guiding significance for the design of new materials.

Based on the above research background, this study carried out the design of marine water-lubricated stern bearing material based on molecular dynamics simulation and experiment. Firstly, high density polyethylene (HDPE) is used as the matrix material. Then the amorphous simulation model of polymer and nanoparticles was constructed on the basis of selecting a kind of tungsten disulfide nanoparticles with two-dimensional structure (WS₂), and its mechanical properties and damping properties were tested with relevant functional modules. After that, the samples with the same formula were prepared and by means of experiments, their tribological properties were tested. The results show that adding WS₂ nanoparticles to modify HDPE can effectively improve its mechanical properties, damping properties and tribological properties. Different addition ratio has a significant difference in properties improvement.

Key Words：HDPE；WS₂；Tribology

目录

第1章 绪论 6

1.1船舶水润滑尾轴承材料的历史发展和研究现状 6

1.1.1船舶尾轴承的使用场景和早期解决办法 6

1.1.2绿色水润滑材料在船舶尾轴承的应用 6

1.1.3新型水润滑材料在船舶尾轴承的应用 6

1.2国内外针对高聚物材料的研究现状 6

1.3二硫化钨（WS₂）的结构特性及其研究现状 7

1.3.1二硫化钨（WS₂）的结构特性 7

1.3.2二硫化钨（WS₂）的国内外研究现状 7

1.4阻尼材料的使用场景和研究现状 8

1.4.1振动噪声对机械的危害 8

1.4.2阻尼减振材料的应用现状 8

1.4.3高分子阻尼材料的减振原理 9

1.4.4高分子阻尼材料的研究现状 9

1.5 Materials studio仿真软件在高分子材料设计领域的研究现状 9

第2章 研究的主要内容和方法原理 11

2.1研究内容 11

2.2技术方法 11

2.3仿真和实验准备工作 11

2.3.1 Materials studio仿真软件的准备工作 11

2.3.2 实验操作的准备工作 12

2.4 方法原理介绍 12

2.4.1仿真模拟软件介绍 13

2.4.2 多功能摩擦磨损实验 13

第3章 仿真结果处理和数据分析 14

3.1引言 14

3.2 WS₂晶体的导入与形貌观察 14

3.3构建不同WS₂含量的无定形模型 14

3.4无定形模型的能量最小化处理和分子动力学模拟 15

3.4.1 引言 15

3.4.2 无定形模型的能量最小化处理 15

3.4.3 无定形模型的分子动力学模拟 16

3.5无定形模型阻尼性能和机械性能的仿真模拟 18

3.5.1 无定形模型的玻璃化转变温度（Tg）模拟 18

3.5.2 无定形模型的机械性能模拟 19

3.5.3 无定形模型的径向分布函数分析 20

3.6试样的摩擦磨损实验 21

第4章 结论及展望 23

4.1结论 23

4.2展望 23

参考文献 24

致 谢 28

第1章 绪论

1.1船舶水润滑尾轴承材料的历史发展和研究现状

1.1.1船舶尾轴承的使用场景和早期解决办法

在船舶动力设备系统中，尾轴承承载着尾轴的负荷，运行条件恶劣，其润滑方式不仅关系到航行过程中的环保问题，而且关系到动力输出的效率高低和稳定性高低，对船舶的正常运转起着重要的保障作用。在航运业早期，船舶尾轴承的摩擦副构建多以金属组成，并在运转过程中使用润滑油降低其磨损^[1]。这种传统工艺已经有百余年的使用历史，但是黄铜、白金等常用金属对于加工工艺要求较高，同时会导致航行途中的油品泄露造成的环境问题，不仅如此，在海洋环境下，金属制品极易发生电化学腐蚀，造成金属摩擦副的磨损量加大，更换成本较高^[2]。

1.1.2绿色水润滑材料在船舶尾轴承的应用

当今世界，绿色、清洁和环保的理念已经深入人心，成为了人们的共同追求和研究热点。相比之下，水润滑轴承以其加工工艺简单，使用寿命长等优点得到了广泛的应用^[3]。水润滑轴承早期大多以铁犁木为原料，因为其取材容易，润滑效果好。在铁犁木材料的使用中，可以很好地解决尾轴承磨损量大和不耐腐蚀的缺陷。但是，随着铁犁木资源的开采，铁犁木资源逐渐变得稀缺，价格上涨，导致其经济性下降，推广使用难度增大^[4]。其后，又有工程师将天然橡胶材料运用于水润滑尾轴承，经过测试，结果表明可以增强轴承的抗泥沙效果，与此同时仍具备一定的润滑能力^[5]。

1.1.3新型水润滑材料在船舶尾轴承的应用

随着新型材料的不断发现，船舶水润滑尾轴承的选材范围大大拓展。有研究人员将复合橡胶材料SPB-N制成试样并在尾管轴承试验台架上进行了测试，结果表明，复合橡胶材料SPB-N在低速工况下的摩擦学性能十分优异，在0.28MPa比压下，转速为0.54m/s时其降低摩擦系数的能力达到最大^[6]。何春勇等人使用数值计算的方法分析了水润滑轴承扇形推进瓦的润滑状态，包括其水膜状态和压力分布^[7]。Dong等人将丁腈橡胶运用于船舶水润滑尾轴承，实现了在不同工况下的减摩方案^[8]。可以看出，各种新型材料的出现改变了水润滑尾轴承的材质选取范畴，并大大拓宽了其应用工况和使用场景。

1.2国内外针对高聚物材料的研究现状

基于以上现实，当前为船舶尾轴承寻找一种具备高润滑性、耐磨性和环境友好的新型材料已经成为了一项新的研究任务。近年来，高聚物材料的应用和普及拓展了船舶尾轴承的材料选取范畴。由于水的黏度较润滑油低，形成的润滑膜无法承受较大的载荷，因此在船舶开停机和转向操作中，轴系间难以形成润滑膜，造成了剧烈的磨损^[9-10]。研究者在高聚物材料中选取了兼具自润滑性能和机械性能的材料，有效提高了尾轴承的使用寿命和性能。例如，聚氨酯等材料具有良好的耐磨性和高弹性，在极端工况下的使用寿命较长^[11-13]。超高分子量聚乙烯的自润滑性能和抗变形强度较高，同样受到了研究者的关注^[14-16]。

高密度聚乙烯（HDPE）作为高聚物材料的一种，具有耐酸性环境和耐低温等优点，一直是应用十分广泛的合成材料之一。针对HDPE的使用场景和不同性能需求，已有研究人员对HDPE进行了改性，进一步提高了其摩擦学性能。Guo等人在HDPE中加入一定比例的树脂并制成了试样，对其摩擦学性能进行了研究，发现添加了0.5%浓度愈创树脂的试样的耐磨性最好^[17]。Wani等人将纳米粘土添加到SF/HDPE复合材料中，并对改性后材料进行了测试。结果表明，纳米粘土提高了SF/HDPE复合材料的耐磨性，其中添加了1%纳米黏土的SF/HDPE材料耐磨性最好^[18]。