极端环境下摩擦学问题

极端环境下摩擦学问题及解决方法机械工程3班张冬2017年6月16日背景与简介极端环境下的摩擦学问题：随着航天、航空、信息等高技术和海洋开发、先进制造技术等工业的迅速发展,迫切需要解决极端条件如高承载、高速度、高真空、高低温、强辐射及各种外场作用下的摩擦学问题。极端环境特点与应对措施1.高真空下摩擦学问题及解决办法真空摩擦学是研究真空环境下两个相互运动接触、表面摩擦、磨损和润滑的工程科学。真空条件下，摩擦表面不能形成降低摩擦的金属氧化物或污染物层而导致高摩擦因数，摩擦热不能通过气体对流传导而带走，摩擦面温度急剧上升而易于发生黏着磨损。特点：缺少氧化膜的润滑作用,易发生冷焊。解决真空摩擦学问题的主要技术途径：（1）球轴承内外围采用物理气相沉积(PVD)MoS2或Pb的固体润滑薄膜(以塑料基自润滑复合材料或铅青铜作保持器)。（2）用气相沉积TiN配以MoS2基自润滑薄膜进行表面处理，或用低蒸汽压的油或脂以贮油器和防爬壁的形式进行润滑，均可延长轴承或齿轮的工作寿命。（3）将塑料基与金属基自润滑复合材料组合配对用于齿轮副、滑动轴承或球形连接器以实现润滑。（4）将A8—MoS2基自润滑复合材料制作成电接触摩擦副的一方(如电刷或触点)可防止真空冷焊。2高温摩擦学问题及解决办法些较为常见的高温工作环境，如燃烧炉中的炉篦；沸腾炉中的管壁；各种机械的发动机、内燃机；高速工作中的底盘、齿轮等传动系统；夏季工作下的轮胎、传动胶带；这些都会产生高温摩擦磨损现象。相比于常温条件下，材料在高温条件下产生摩擦磨损，使材料产生更多的消耗和使用寿命剧烈地减少。特点：（1）磨粒磨损对于硬度较大的材料，会发生微观切削、微观犁沟和微观断裂。一般来说硬度越高，抗磨损性能越好。耐磨材料由于其产生硬质点易造成磨粒磨损。（2）粘着磨损对于硬度较小的材料和较低的试验速度下易发生粘着磨损。粘着磨损分为涂抹、擦伤、撕脱和咬死。（3）氧化磨损氧扩散到摩擦副的变形层内，形成氧化膜。氧化膜的生成和不断剥落会形成氧化磨损。由于在高温条件下，摩擦副更易形成氧化膜，所以高温下最主要的磨损机理是氧化磨损解决方法：（1）表面工程摩擦技术张平等采用网格化激光淬火和低温离子渗硫技术对42MnCr52钢进行复合表面处理,硬度提高20%左右,摩擦因数降低约10%,磨损失重量减少50%以上。袁建辉等[通过大气等离子喷涂方法,制备出WC-Co-Cu-BaF2/CaF2自润滑耐磨涂层。在200℃、400℃和600℃下进行高温摩擦试验。其摩擦产物层光滑致密，摩擦因数和磨损率都较小。（2）润滑技术与材料孙晓峰等发现纳米SiO2能明显改善菜籽油的高温减摩抗磨性能,在500℃时,摩擦因数仅为0.16,磨损量降低了80%以上。姜美焕等发现烷基链连接的双咪唑离子液体的减摩抗磨性能较优，且缩短双咪唑离子液体的连接链长度有利于提高其摩擦学性能。（3）耐磨材料周松青等研究以SiC为基体,用TiC和B4C为原料,采用新的反应原理生成TiB2,原位合成了TiB2-SiC基复相陶瓷,提高了SiC陶瓷的物理性能和高温摩擦学性能。还有学者对各种复合材料和酚醛树脂等无机化学合成材料的高温摩擦特性及磨损机理进行了研究。3超低温环境摩擦学及解决办法低温环境下的摩擦系统(如轴承、密封、阀等)经常会产生多余的热量和严重的磨损,传统的润滑油或润滑酯在低温下失去作用,因为低温范围远远低于基础油的流点,只能使用固体润滑剂或摩擦学性能好的材料。解决方法：超导润滑已成为目前超低温(一般低于120K)固体润滑技术的主要分支,其中高温超导陶瓷YBa2Cu3O7-δ(YBCO)因其高的临界转变温度(Tc=93K,液氮温度就可实现超导)和类似于石墨、MoS2的钙钛矿结构尤为突出,无论是直接制成超导装置(如陶瓷球轴承、超导马达等)还是充当固体润滑剂,都能起到很好的润滑效果。4海洋环境摩擦学海洋极端环境下的摩擦磨损，主要表现在材料在海洋苛刻环境下的腐蚀行为、电化学腐蚀以及材料在载荷和腐蚀环境下的耦合摩擦学行为。海洋环境复杂，导致海洋装备面临的摩擦学问题复杂多样:（1）海水的黏度很低，大约只有矿物油的1/20～1/100，润滑性能很差，摩擦副对偶面上难以形成有效的弹流润滑膜，也不能形成良好的边界润滑膜，因而很容易造成摩擦副表面处于直接接触状态，加快摩擦磨损;（2）海水是典型的腐蚀性电解质，其腐蚀作用会大大加速磨损的进程和加剧磨损的速度;（3）深海环境下的高压与腐蚀行为之间的耦合作用使得深海装备的密封问题尤为突出。5其他摩擦学问题（1）高速摩擦学高速摩擦（4~6×104r/min），主要的失效形式是剪切断裂。（2）重载(2GPa)，主要的失效形式粘着磨损。（3）复杂介质复合损伤，如高速水、沙、气冲蚀磨损。（4）微小尺度空间，摩擦副纳米间隙，纳米润滑。6结论与展望极端环境下摩擦学在近20年发展迅速，由于在超常工况下材料的摩擦学行为同于常规工况下呈现的规律，因此，该领域的摩擦学研究不仅可大幅度地提高设备在特殊环境下的寿命和可靠性；而且可推动新的摩擦学材料结构、新的测试技术和新的表面技术的发展。