Page 87 - 《摩擦学学报》2020年第4期

第 4 期 王鹏, 等: 核环境下的摩擦、磨损与润滑 497

(a) (d)

(e)

(b) (c) (f)

Fig. 7 Schematic of JET(a) and vacuum chamber first wall (b) of tokamak device; replace the first wall component with the remote
control arm (yellow part in the red block diagram) (c); the inner wall of EAST(d) and operation of remote manipulator in EAST (e)
and the overall of remote manipulator physical picture (f)
图 7 欧盟托卡马克装置JET(a)及真空室第一壁(b)，利用遥操作臂(红色框图中黄色部分)更换第一壁部件(c)，中国东方超环
EAST真空室内壁(d)、遥操作臂真空室内运行维修(e)以及整体实物图(f)

Chen等 [54] 设计了接触电阻低于1.5 mΩ的Ag以及Au- 度、低摩擦以及真空-大气交变环境下润滑环境自适
Ni镀层材料，并与配副Rh对摩，发现Ag及Au-Ni镀层 应性，该薄膜在真空及大气中摩擦系数均低于0.05，
发生了严重的磨料磨损，相同的测试条件下Ag磨损率 2016年开始至今在EAST装置稳定运行，这也是固体
仅 为 Au-Ni镀 层 一 半 . 进 一 步 利 用 磁 控 溅 射 制 备 润滑材料第一次在托卡马克遥操作领域的应用.
[55]
AuNi/a-C 复合涂层，涂层维氏硬度由200提高至350， ITER以及未来聚变堆内，运动部件服役的固体润
引入无定型碳后，镀层在保持较低接触电阻的同时， 滑材料不仅承受运动过程中日常的循环应力及摩擦
摩擦表面无定型碳转移膜的形成使得磨损率下降 磨损，而且还要承受高剂量中子辐照. 以ITER电接触
50%，但是在真空条件下磨损率下降趋势不明显，通 润滑材料为例，该润滑导电镀层服役后将直接面对氘
过将WS 引入涂层体系可以大幅降低真空条件下摩擦 氚核聚变产生的高达14 MeV的高剂量中子辐照，堆中
2
[56]
系数与磨损率 . 平面年辐照损伤累计高达1.0~1.5 dpa以上，按照至少
使用润滑材料最多的磁约束聚变堆部件主要集 50年商业堆设计寿命推算，其最终服役周期下辐照损
中在遥操作系统部分. 未来聚变堆系统将大量使用模 伤高达50~75 dpa；CFETR遥操作系统在主真空室内安
块化设计来保证重要部件运行过程中受损时能够在 装大量导轨、滑块以及可拆卸固定螺母，服役期间这
不破坏真空条件下进行维修或更换，从而减少停机时 些部件表面润滑材料同样承受14 MeV中子辐照. 这些

间提高运行效率. 其中遥操作臂、偏滤器模块维修以 强辐照在材料内部产生大量缺陷，在时间及温度场作
及包层模块更换运动部件都需要考虑固体润滑. 以遥 用下缺陷聚集造成材料结构及成分发生变化，导致萌
操作臂为例，欧盟JET托卡马克装置使用金属铍作为 生裂纹、硬化与脆化、肿胀与蠕变等性能退化，最终使
第一壁材料，出于安全考虑JET第一壁瓦部件在维修 得润滑材料服役寿命下降，危及反应堆正常运转. 因
[57]
及更换时均采用机械臂代替人力 . 中国东方超环托 此，高辐照损伤剂量下润滑材料内部缺陷的形成、聚
卡马克装置EAST于2013年开始发展遥操作技术，并 集与演化对部件润滑及导电性能的影响研究还亟待
于2016年在EAST装置上进行验证，该操作臂长约10 m， 加强.
可进行真空室内部巡检、维修以及第一壁破损瓦的更 鉴于固体润滑材料核环境下的辐照损伤及其对
换，考虑到遥操作臂要真空-大气交变环境下运行， 服役行为的影响，早在上世纪60年代，国际上包括
EAST团队与中科院兰州化学物理研究所合作 [58-60] ，对 NASA在内相关实验室就开展过相关研究工作. 相关
遥操臂关节轴承、传动齿轮以及止推轴承等零部件采 试验结果可以给我们现在材料设计提供参考. 针对空
用MoS 基复合薄膜处理，通过将TiC纳米晶以及 间探测核推进系统以及核武器高度集约化部件中固
2
DLC无定型结构引入MoS 基体，实现了复合薄膜高硬 体润滑材料中子辐照损伤问题，美国NASA利用
2