低溫摩擦學(xué)研究進(jìn)展：摩擦機(jī)理、測(cè)試方法與應(yīng)用

隨著航天、航空、軍事、超導(dǎo)等尖端技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展，許多高端裝備提出在低溫甚至超低溫環(huán)境中運(yùn)行工作的需求，然而當(dāng)溫度較低時(shí)，傳統(tǒng)潤(rùn)滑油、潤(rùn)滑脂的粘度增大甚至固化會(huì)導(dǎo)致軸承等關(guān)鍵運(yùn)動(dòng)副部件潤(rùn)滑失效，固體潤(rùn)滑材料成為實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)副潤(rùn)滑的唯一選擇。而目前固體潤(rùn)滑材料低溫摩擦磨損理論存在較大爭(zhēng)議，亟需對(duì)現(xiàn)有文獻(xiàn)進(jìn)行整理、歸納，進(jìn)而為后續(xù)研究提供有價(jià)值的參考。此外，探索新的低溫摩擦實(shí)驗(yàn)測(cè)試方法與手段是推動(dòng)低溫摩擦學(xué)研究的關(guān)鍵。另一方面，軸承等零部件級(jí)的低溫摩擦磨損理論研究仍很欠缺，而且隨著低溫潤(rùn)滑要求的提高，如何進(jìn)一步改善固體潤(rùn)滑材料及部件低溫摩擦學(xué)性能是一個(gè)亟需解決的問(wèn)題。近期，清華大學(xué)機(jī)械工程系、高端裝備界面科學(xué)與技術(shù)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的馬天寶教授、崔文巖博士、陳宏展博士生、趙建勛博士生、馬全勝博士生、徐強(qiáng)博士在SCI核心期刊《極端制造》（InternationalJournalofExtremeManufacturing,

IJEM）上共同發(fā)表《低溫摩擦學(xué)研究進(jìn)展：摩擦機(jī)理、測(cè)試方法與應(yīng)用》的綜述，系統(tǒng)介紹了固體潤(rùn)滑材料低溫摩擦學(xué)理論、實(shí)驗(yàn)測(cè)試技術(shù)的研究進(jìn)展以及應(yīng)用現(xiàn)狀。圖1展示了自20世紀(jì)50年代以來(lái)低溫摩擦學(xué)的發(fā)展歷程，在應(yīng)用需求的牽引下，以及在溫度如何影響摩擦磨損這一科學(xué)問(wèn)題的驅(qū)使下，固體自潤(rùn)滑材料低溫摩擦學(xué)理論與應(yīng)用研究取得了一系列進(jìn)展。關(guān)鍵詞

低溫；超低溫；摩擦試驗(yàn)機(jī)；自潤(rùn)滑材料；軸承亮點(diǎn)介紹了現(xiàn)有的低溫摩擦實(shí)驗(yàn)測(cè)試方法及設(shè)備；深入探討了低溫固體潤(rùn)滑與摩擦的物理/化學(xué)機(jī)理；介紹了低溫固體潤(rùn)滑在航天、航空等領(lǐng)域的最新應(yīng)用進(jìn)展；自制了用于材料或軸承低溫摩擦測(cè)試及原位觀測(cè)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備。圖1

低溫摩擦學(xué)研究歷程。（圖片“a”、“b”、“c”、“f”、“g”來(lái)自NASA；“d”經(jīng)SNCSC許可轉(zhuǎn)載；“e”經(jīng)授權(quán)轉(zhuǎn)載，?2006IAEA）研究背景20世紀(jì)50年代，低溫潤(rùn)滑問(wèn)題首先受到航空等領(lǐng)域的重視，早期的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明材料的物理機(jī)械特性決定低溫摩擦系數(shù)，粘著摩擦理論同樣適用于描述溫度對(duì)摩擦性能的影響規(guī)律。20世紀(jì)60年代，研究發(fā)現(xiàn)類橡膠聚合物材料摩擦力隨溫度的非單調(diào)變化與其松弛轉(zhuǎn)變關(guān)系密切。自20世紀(jì)60年代以來(lái)，為了解決低溫液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪泵軸承在液氫、液氧等低溫推進(jìn)劑中的潤(rùn)滑問(wèn)題，研究人員發(fā)明了多種聚合物基復(fù)合材料和軟金屬涂層用于固體潤(rùn)滑軸承的制備，并提出了固體潤(rùn)滑滾動(dòng)軸承的轉(zhuǎn)移膜潤(rùn)滑機(jī)制。從20世紀(jì)80年代到20世紀(jì)末，研究發(fā)現(xiàn)摩擦過(guò)程中材料轉(zhuǎn)移的變化是不同材料摩擦性能與摩擦機(jī)理差異的原因，粘著摩擦理論與轉(zhuǎn)移膜潤(rùn)滑理論得到結(jié)合。上述工作以及這一時(shí)期DLC、MoS2等涂層材料的低溫摩擦學(xué)研究受到低溫超導(dǎo)裝置應(yīng)用需求的推動(dòng)。21世紀(jì)初期至今，固體潤(rùn)滑在低溫液體火箭、紅外望遠(yuǎn)鏡等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用進(jìn)一步引起了人們對(duì)低溫摩擦學(xué)研究的關(guān)注。各研究機(jī)構(gòu)針對(duì)包括PTFE、DLC和MoS2涂層在內(nèi)的固體潤(rùn)滑材料開(kāi)展了一系列的低溫摩擦學(xué)研究，為低溫摩擦學(xué)理論的發(fā)展和固體自潤(rùn)滑材料的低溫應(yīng)用做出了貢獻(xiàn)。在本文中，馬天寶教授等人對(duì)低溫摩擦學(xué)理論、實(shí)驗(yàn)測(cè)試技術(shù)及應(yīng)用進(jìn)展進(jìn)行了詳細(xì)介紹。最新進(jìn)展最新進(jìn)展主要分為三個(gè)部分：材料低溫摩擦測(cè)試技術(shù)，固體潤(rùn)滑材料低溫摩擦磨損性能及機(jī)理，固體潤(rùn)滑低溫應(yīng)用現(xiàn)狀。材料低溫摩擦測(cè)試技術(shù)：低溫、真空等嚴(yán)苛的實(shí)驗(yàn)環(huán)境要求給摩擦磨損測(cè)試帶來(lái)了如實(shí)驗(yàn)環(huán)境控制、運(yùn)動(dòng)加載模擬、摩擦磨損測(cè)量等技術(shù)難點(diǎn)（圖2），針對(duì)現(xiàn)有材料低溫摩擦測(cè)試設(shè)備存在的問(wèn)題，設(shè)計(jì)研制了超低溫載流摩擦磨損實(shí)驗(yàn)及原位觀測(cè)系統(tǒng)。其采用彈性長(zhǎng)懸臂梁測(cè)力方案結(jié)合磁懸浮無(wú)摩擦支撐技術(shù)實(shí)現(xiàn)了低溫等極端工況下多維力學(xué)量的傳遞與高分辨解耦測(cè)量；此外還通過(guò)低壓氦氣導(dǎo)冷技術(shù)在保證真空摩擦測(cè)試環(huán)境的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)樣品的大功率制冷與測(cè)溫控溫。最終，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了-213~177℃高真空環(huán)境下1~500N載荷范圍、0~10A載流的球-盤或銷-盤旋轉(zhuǎn)摩擦磨損實(shí)驗(yàn)及超低摩擦系數(shù)（0.001量級(jí)）的高精度測(cè)量，并可通過(guò)紅外光譜、顯微鏡、質(zhì)譜儀等觀測(cè)手段對(duì)摩擦試樣進(jìn)行原位在線觀測(cè)，為固體潤(rùn)滑材料低溫載流摩擦潤(rùn)滑理論研究提供了新的實(shí)驗(yàn)測(cè)試手段。圖2

材料低溫摩擦測(cè)試關(guān)鍵技術(shù)及新型材料低溫摩擦測(cè)試設(shè)備：（a）低溫實(shí)驗(yàn)環(huán)境及其實(shí)現(xiàn)；（b）低溫下運(yùn)動(dòng)與載荷模擬；（c）低溫環(huán)境摩擦系數(shù)測(cè)量；（d）一種新型低溫銷/球-盤旋轉(zhuǎn)摩擦測(cè)試技術(shù)及設(shè)備，可實(shí)現(xiàn)摩擦系數(shù)高精度測(cè)量及在低溫下摩擦表面的原位在線觀測(cè)固體潤(rùn)滑材料低溫摩擦磨損性能及機(jī)理：低溫下固體潤(rùn)滑材料摩擦性能的變化主要受材料物理機(jī)械性能變化、摩擦化學(xué)反應(yīng)及轉(zhuǎn)移膜形成、熱激活過(guò)程以及聚合物材料松弛轉(zhuǎn)變等因素的影響（圖3）。溫度的降低會(huì)使材料彈性模量、強(qiáng)度等物理機(jī)械性能普遍提高，這導(dǎo)致真實(shí)接觸面積降低，根據(jù)粘著摩擦理論摩擦系數(shù)將呈現(xiàn)降低趨勢(shì)。但低溫下材料脆性增大會(huì)對(duì)摩擦磨損產(chǎn)生不利的影響。通過(guò)調(diào)控轉(zhuǎn)移膜的形成有望改善材料的低溫摩擦性能，然而，低溫對(duì)摩擦化學(xué)作用及轉(zhuǎn)移膜形成與演化的影響仍存在較大爭(zhēng)議，需要開(kāi)展更加深入系統(tǒng)的研究。摩擦過(guò)程中分子、原子的運(yùn)動(dòng)，化學(xué)鍵的斷裂和形成等過(guò)程都受到熱激活現(xiàn)象的影響，溫度的降低導(dǎo)致摩擦系數(shù)不斷增大，并可使用Arrhenius公式表示兩者關(guān)系。這是提高固體潤(rùn)滑材料低溫摩擦性能的最大屏障。聚合物分子鏈運(yùn)動(dòng)模式隨溫度的變化是產(chǎn)生松弛轉(zhuǎn)變的原因，聚合物材料的物理機(jī)械性能也因此發(fā)生急劇的變化，進(jìn)而影響摩擦性能。損耗因子隨溫度變化的峰值通常代表聚合物松弛轉(zhuǎn)變的發(fā)生，此時(shí)普遍出現(xiàn)摩擦系數(shù)的拐點(diǎn)。圖3

固體潤(rùn)滑材料低溫摩擦磨損機(jī)理總結(jié)：（a）物理機(jī)械性能變化；（b）轉(zhuǎn)移膜與摩擦化學(xué)；（c）熱激活過(guò)程；（d）聚合物松弛轉(zhuǎn)變固體潤(rùn)滑低溫應(yīng)用：

這里主要以自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承（圖4）和固體潤(rùn)滑滾動(dòng)軸承（圖5）為例介紹固體潤(rùn)滑的低溫應(yīng)用現(xiàn)狀。自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承通常使用聚合物基材料實(shí)現(xiàn)潤(rùn)滑，低溫風(fēng)洞是低溫自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承的主要應(yīng)用場(chǎng)景，如圖4所示。針對(duì)低溫風(fēng)洞中低溫、寬溫域關(guān)節(jié)軸承摩擦機(jī)理研究與服役性能測(cè)試的新要求，設(shè)計(jì)研制了低溫寬溫域關(guān)節(jié)軸承測(cè)試平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了關(guān)節(jié)軸承極低溫/寬溫域（-173~177℃）、高真空（5×10-5

Pa）/可變氣壓氮?dú)猓?9~101kPa）等極端工況下的摩擦磨損實(shí)驗(yàn)及測(cè)量，以及上述極端工況下的半外圈關(guān)節(jié)軸承摩擦過(guò)程中轉(zhuǎn)移膜隨時(shí)間演化的直接觀測(cè)。圖4

自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承低溫應(yīng)用及實(shí)驗(yàn)測(cè)試技術(shù)：（a）自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承的結(jié)構(gòu)及其在低溫風(fēng)洞中的應(yīng)用（低溫風(fēng)洞圖片經(jīng)許可轉(zhuǎn)載，版權(quán)所有（2011），Elsevier）；（b）關(guān)節(jié)軸承摩擦測(cè)量常用主軸方案；（c）低溫寬溫域關(guān)節(jié)軸承測(cè)試平臺(tái)及（d）低溫工況半外圈關(guān)節(jié)軸承內(nèi)圈摩擦表面原位在線觀測(cè)固體潤(rùn)滑滾動(dòng)軸承通常通過(guò)在內(nèi)外圈溝道上涂鍍MoS2等固體潤(rùn)滑材料，以及使用聚合物復(fù)合材料自潤(rùn)滑保持架實(shí)現(xiàn)潤(rùn)滑，如圖5所示。其廣泛應(yīng)用于低溫液體火箭、空間紅外望遠(yuǎn)鏡等航天裝備中。為了開(kāi)展高端低溫固體潤(rùn)滑滾動(dòng)軸承的研發(fā)及服役性能測(cè)試，研制了超低溫真空軸承試驗(yàn)機(jī)，通過(guò)軸承內(nèi)外圈大功率聯(lián)合制冷控溫、徑向及軸向聯(lián)合電磁加載技術(shù)實(shí)現(xiàn)了極低溫/寬溫域（-173~177℃）、高真空（5×10-5

Pa）/變氣氛環(huán)境、重載（接觸壓力可達(dá)3.5GPa）等多種極端工況并存下的滾動(dòng)軸承摩擦實(shí)驗(yàn)及摩擦系數(shù)高分辨率測(cè)量，為極端工況下超滑軸承服役性能測(cè)試及摩擦系數(shù)的高精度測(cè)量提供有效手段。圖5

固體潤(rùn)滑滾動(dòng)軸承低溫應(yīng)用及實(shí)驗(yàn)測(cè)試技術(shù)：（a）固體潤(rùn)滑滾動(dòng)軸承結(jié)構(gòu)形式（“MoS2”圖片經(jīng)許可轉(zhuǎn)載，SpringerNature；“CarbonMaterial”圖片經(jīng)許可轉(zhuǎn)載，版權(quán)所有（2015），Elsevier）；（b）低溫固體潤(rùn)滑滾動(dòng)軸承在航天領(lǐng)域的應(yīng)用（SpaceShuttle圖片來(lái)自NASA；Turbopump圖片允許公眾使用，NTRS；JamesWebbSpaceTelescope、Actuator圖片來(lái)自NASA；Wheelmechanism圖片經(jīng)許可轉(zhuǎn)載，IOPPubli