Page 130 - 《摩擦学学报》2021年第4期

第 4 期 黄辉, 等: 涉氢环境机械部件的摩擦学研究现状 573

会在我国终端能源体系占比至少10%. 近年来随着对 十分重视，美国、日本、德国和瑞士等建立了专门的涉
清洁型环保能源的开发，以氢能作为汽车和飞机动力 氢动力部件摩擦学实验室，而国内对涉氢动力系统的
系统燃料的研究成为热点，特别是涉氢环境的核心材 动态力学性能及其摩擦学基础研究还相对缺乏 [10-13] .
料及其动力系统关键机械部件使役可靠性和耐久性， 研究不同摩擦工况条件下涉氢机械关键动力部件(如

是先进材料领域的研究焦点之一. 轴承、阀门和密封元件等)材料的摩擦磨损行为，有利
氢能作为一种可持续、无污染的绿色能源，在未 于理解不同材料与氢介质相互作用机制，为涉氢环境
来的氢能源机械动力体系中将扮演重要的角色. 氢气 动力系统关键机械部件的摩擦学发展和典型材料应

的低分子量，可以最大限度降低燃料携带量，减少关 用提供理论和技术支持 . 特别是氢能源的持续发展
[14]
键动力系统及其他运载装备的重量. 其中，氢动力汽 大大激发了涉氢系统摩擦学研究的深入，机械动力部
车有望成为未来的主流交通运输工具. 与传统的燃料 件表界面与氢气在机械摩擦学、物理、化学、热学及力
电池汽车比较，氢能源汽车可有效地降低温室气体排 学等方面的兼容性和可靠性，因而开发系列动态环境
[2]
放，具有非常快的充电速度和极强的续航能力 . 另 下的耐氢和氢防护材料将是未来工作的重点 .
[15]
外，氢内燃汽车能和空气中的氧产生水蒸气排出，有
效减少了其他燃油汽车的空气污染问题. 尽管氢能在
未来机械能源体系中具有无法比拟的性能优势，但是 Leakage of hydrogen
氢气在生产、运输、储存、分配和使用过程中均会面临 Couplings Hydrogen induced tribofailure
[3]
一系列的经济性和安全性问题 .
Bearing
在氢气基础设施方面，储氢罐和加氢站的压缩 Hydrogen
机、管道、阀门接口等关键部件均涉及到高压氢接触， Hydrogen dispenser Technical
issues
这些高压涉氢基础设施设备的服役寿命长短及其安 generator Compressor
Storage
[4]
全性离不开涉氢基础材料的使役可靠性 . 国内瀚海 Hydrogen induced pitting and abrasion tank
动力公司针对长期暴露在氢环境中的储罐、瓶阀、减 Dynamic & static seals pistion rings
压阀及导管等连接部件，开发了35 MPa车载氢系统全 Hydrogen induced seal degradation
Valves & other contact components
套核心零部件，填补了国内涉氢零部件的空白，但是
更高压力下氢气对动力部件的服役损伤行为的研究
鲜有报道. 氢气储存设备随着气压增加更容易受到氢 Fig. 1 Friction components in hydrogen systems and related
损伤，如钢材在高压氢气中易产生氢脆现象. 国内已 technical problems
掌握和积累了氢氛围中材料的静态材料力学性能关 图 1 氢气系统中的摩擦部件和相应的技术问题

键数据，目前在储氢安全性和经济性方面继续开展系
统研究工作 [5-7] . 例如，对于氢燃料电池而言，有效抑制 1 研究现状

[8]
氢外泄就对核心材料耐氢穿透能力提出了新的要求 . 1.1 测试设备研究现状
对于氢内燃汽车而言，图1列举了典型氢内燃系 高压氢气环境中的材料极易遭受损伤，出现材料
统关键摩擦部件及其面临的技术需求. 与静态环境下 塑性降低、裂纹扩散等氢环境脆化现象 . 为了确保
[10]
核心材料的氢致损伤作用机理不同，氢内燃系统关键 高压氢气设备的安全运行，有必要研发高压氢环境中
机械动力部件的氢致损伤及其摩擦学问题更加具有 材料性能检测的仪器设备. 美国、俄罗斯、日本和德国
[9]
挑战性 . 氢气介质中的动力部件摩擦学行为不同于 等国家相继研发出了用于检测高压氢环境材料耐久
空气环境，氢气介质不仅会影响材料表面的化学反应 性的设备，国内郑津洋等 和刘孝亮等 也对氢环境
[10]
[11]
及材料力学性能，也会在接触表界面发生吸附、扩散、 材料静态力学性能测试仪进行了研发，但是国内依旧
黏着和转移等物理或化学反应过程. 特别是高压氢环 缺乏用于氢气环境材料摩擦磨损性能的测试评估设备.
境、变速变载工况下，氢内燃系统运动部件的损伤失 目前而言，国内外研究机构针对氢气环境测试仪
效行为，直接制约着氢内燃汽车整机运行耐久性和可 器的开发进行了一些研究，但是集高压氢气环境、复
靠性. 国外对氢内燃系统关键动力设备的摩擦学研究 杂加载及运动工况于一体的测试仪器国内尚未见公