低溫摩擦學(xué)研究進(jìn)展：摩擦機理、測試方法與應(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)境中運行工作的需求，然而當(dāng)溫度較低時，傳統(tǒng)潤滑油、潤滑脂的粘度增大甚至固化會導(dǎo)致軸承等關(guān)鍵運動副部件潤滑失效，固體潤滑材料成為實現(xiàn)運動副潤滑的唯一選擇。而目前固體潤滑材料低溫摩擦磨損理論存在較大爭議，亟需對現(xiàn)有文獻(xiàn)進(jìn)行整理、歸納，進(jìn)而為后續(xù)研究提供有價值的參考。此外，探索新的低溫摩擦實驗測試方法與手段是推動低溫摩擦學(xué)研究的關(guān)鍵。另一方面，軸承等零部件級的低溫摩擦磨損理論研究仍很欠缺，而且隨著低溫潤滑要求的提高，如何進(jìn)一步改善固體潤滑材料及部件低溫摩擦學(xué)性能是一個亟需解決的問題。近期，清華大學(xué)機械工程系、高端裝備界面科學(xué)與技術(shù)全國重點實驗室的馬天寶教授、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：摩擦機理、測試方法與應(yīng)用》的綜述，系統(tǒng)介紹了固體潤滑材料低溫摩擦學(xué)理論、實驗測試技術(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)問題的驅(qū)使下，固體自潤滑材料低溫摩擦學(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；摩擦試驗機；自潤滑材料；軸承亮點介紹了現(xiàn)有的低溫摩擦實驗測試方法及設(shè)備；深入探討了低溫固體潤滑與摩擦的物理/化學(xué)機理；介紹了低溫固體潤滑在航天、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試及原位觀測的實驗設(shè)備。圖1

低溫摩擦學(xué)研究歷程。（圖片“a”、“b”、“c”、“f”、“g”來自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，低溫潤滑問題首先受到航空等領(lǐng)域的重視，早期的實驗結(jié)果表明材料的物理機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，為了解決低溫液體火箭發(fā)動機渦輪泵軸承在液氫、液氧等低溫推進(jìn)劑中的潤滑問題，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滑軸承的制備，并提出了固體潤滑滾動軸承的轉(zhuǎn)移膜潤滑機制。從20世紀(jì)80年代到20世紀(jì)末，研究發(fā)現(xiàn)摩擦過程中材料轉(zhuǎn)移的變化是不同材料摩擦性能與摩擦機理差異的原因，粘著摩擦理論與轉(zhuǎn)移膜潤滑理論得到結(jié)合。上述工作以及這一時期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。21世紀(jì)初期至今，固體潤滑在低溫液體火箭、紅外望遠(yuǎn)鏡等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用進(jìn)一步引起了人們對低溫摩擦學(xué)研究的關(guān)注。各研究機構(gòu)針對包括PTFE、DLC和MoS2涂層在內(nèi)的固體潤滑材料開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，馬天寶教授等人對低溫摩擦學(xué)理論、實驗測試技術(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)展主要分為三個部分：材料低溫摩擦測試技術(shù)，固體潤滑材料低溫摩擦磨損性能及機理，固體潤滑低溫應(yīng)用現(xiàn)狀。材料低溫摩擦測試技術(shù)：低溫、真空等嚴(yán)苛的實驗環(huán)境要求給摩擦磨損測試帶來了如實驗環(huán)境控制、運動加載模擬、摩擦磨損測量等技術(shù)難點（圖2），針對現(xiàn)有材料低溫摩擦測試設(shè)備存在的問題，設(shè)計研制了超低溫載流摩擦磨損實驗及原位觀測系統(tǒng)。其采用彈性長懸臂梁測力方案結(jié)合磁懸浮無摩擦支撐技術(shù)實現(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量；此外還通過低壓氦氣導(dǎo)冷技術(shù)在保證真空摩擦測試環(huán)境的同時，實現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)樣品的大功率制冷與測溫控溫。最終，該系統(tǒng)實現(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)摩擦磨損實驗及超低摩擦系數(shù)（0.001量級）的高精度測量，并可通過紅外光譜、顯微鏡、質(zhì)譜儀等觀測手段對摩擦試樣進(jìn)行原位在線觀測，為固體潤滑材料低溫載流摩擦潤滑理論研究提供了新的實驗測試手段。圖2

材料低溫摩擦測試關(guān)鍵技術(shù)及新型材料低溫摩擦測試設(shè)備：（a）低溫實驗環(huán)境及其實現(xiàn)；（b）低溫下運動與載荷模擬；（c）低溫環(huán)境摩擦系數(shù)測量；（d）一種新型低溫銷/球-盤旋轉(zhuǎn)摩擦測試技術(shù)及設(shè)備，可實現(xiàn)摩擦系數(shù)高精度測量及在低溫下摩擦表面的原位在線觀測固體潤滑材料低溫摩擦磨損性能及機理：低溫下固體潤滑材料摩擦性能的變化主要受材料物理機械性能變化、摩擦化學(xué)反應(yīng)及轉(zhuǎn)移膜形成、熱激活過程以及聚合物材料松弛轉(zhuǎn)變等因素的影響（圖3）。溫度的降低會使材料彈性模量、強度等物理機械性能普遍提高，這導(dǎo)致真實接觸面積降低，根據(jù)粘著摩擦理論摩擦系數(shù)將呈現(xiàn)降低趨勢。但低溫下材料脆性增大會對摩擦磨損產(chǎn)生不利的影響。通過調(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議，需要開展更加深入系統(tǒng)的研究。摩擦過程中分子、原子的運動，化學(xué)鍵的斷裂和形成等過程都受到熱激活現(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。這是提高固體潤滑材料低溫摩擦性能的最大屏障。聚合物分子鏈運動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，此時普遍出現(xiàn)摩擦系數(shù)的拐點。圖3

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

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

Pa）/可變氣壓氮氣（19~101kPa）等極端工況下的摩擦磨損實驗及測量，以及上述極端工況下的半外圈關(guān)節(jié)軸承摩擦過程中轉(zhuǎn)移膜隨時間演化的直接觀測。圖4

自潤滑關(guān)節(jié)軸承低溫應(yīng)用及實驗測試技術(shù)：（a）自潤滑關(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)軸承摩擦測量常用主軸方案；（c）低溫寬溫域關(guān)節(jié)軸承測試平臺及（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固體潤滑滾動軸承通常通過在內(nèi)外圈溝道上涂鍍MoS2等固體潤滑材料，以及使用聚合物復(fù)合材料自潤滑保持架實現(xiàn)潤滑，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。為了開展高端低溫固體潤滑滾動軸承的研發(fā)及服役性能測試，研制了超低溫真空軸承試驗機，通過軸承內(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軸承摩擦實驗及摩擦系數(shù)高分辨率測量，為極端工況下超滑軸承服役性能測試及摩擦系數(shù)的高精度測量提供有效手段。圖5

固體潤滑滾動軸承低溫應(yīng)用及實驗測試技術(shù)：（a）固體潤滑滾動軸承結(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）低溫固體潤滑滾動軸承在航天領(lǐng)域的應(yīng)用（SpaceShuttle圖片來自NASA；Turbopump圖片允許公眾使用，NTRS；JamesWebbSpaceTelescope、Actuator圖片來自NASA；Wheelmechanism圖片經(jīng)許可轉(zhuǎn)載，IOPPubli