Page 132 - 《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 575

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穿润滑膜，造成润滑膜失效并产生擦伤 . 机械部件 金属材料的失效形式主要是氢脆，氢原子经金属表面
擦伤主要伴随着磨损颗粒的聚集和刮擦过程. 摩擦过 或其磨损表面渗入基材内部造成其结构发生改变. 图4
程中摩擦副在表面产生微量切削，使摩擦副的两个表 为氢气氛围下的氢渗入示意图. 除金属材料外，聚合
面直接接触，同时产生的磨屑颗粒在摩擦表面来回滑 物材料在磨损过程中也伴随着黏着磨损和磨料磨损.
移甚至压入材料表面，形成磨料磨损，造成摩擦表面 氢渗入会造成聚合物膨胀、变形和老化，继而产生严
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的凹凸不一致，影响部件的使用寿命 . 氢气系统中 重的磨损行为，最终对聚合物的性能产生严重影响.

Load
Hydrogen

Lubricants

Bulk materials

Fig. 4 Schematic of friction mechanism in hydrogen atmosphere
图 4 氢气氛围中的摩擦机理示意图

[21]
[21]
1.2.1 氢气系统中聚合物及其复合材料摩擦学行为 摩擦学性能进行测试. 测试结果如图5 和图6 所示.
聚合物材料由于其低廉的制造成本和较好的摩 可以明显看出氢气氛围中各类聚合物材料的摩擦系
擦磨损行为被广泛地应用于各种机械动力部件之中， 数均小于空气中的摩擦系数.
近些年来也取代了许多传统的金属材料作为滑动部

件. 聚合物的摩擦学行为不同于金属基和陶瓷基材
0.5 At RT in air
料，聚合物具有非常低的表面自由能和黏弹性. 氢氛
围机械摩擦体系中的聚合物材料并不单一作为主体 0.4
使用，而是常常与金属或陶瓷材料配套使用，用于接 0.3
头、压缩设备、阀门、密封件、附加环或阀座等接触部 Friction coefficient
件 [20] . 氢气作为一种即将取代传统化石燃料的新能 0.2
源，广泛应用于诸多领域，氢氛围中的聚合物摩擦磨
0.1
损行为也得到了广泛研究. 表1列出了12类不同组分
的聚合物材料，并分别在低温氢气和室温空气中对其 0.0
A B C D E F G H I J K L
表 1 聚合物材料组分表 Fig. 5 Friction coefficient of polymer composites at room
[21]
temperature in air
Table 1 Polymer material compositions
图 5 室温条件下聚合物材料的摩擦系数 [21]

Groups Matrix Fibers Fills and lubricants
A PEEK 10% CF 10% PTFE + 10% MoS 2
聚合物材料在氢氛围中具有较低的摩擦系数和
B PI - 15% MoS2
良好的摩擦学性能. 聚合物及其复合材料在氢氛围中
C PEEK 13% CF 10% PTFE
D PTFE 18.2% CF 13.5% PEEK 具有较低的聚合物附着力，很难在摩擦副之间进行转
E PTFE 6.7% CF 9.2% bronze
移，因此具有较低的摩擦系数. 在含液态氢介质的低
F PTFE - 20% PPS
G PA6.6 - 30% PTFE 温摩擦接触中，PTFE和PEEK复合材料表面的冷致硬
H PEEK 10% CF 10% PTFE + 10% graphite 化作用提升了抗剪切能力，削弱了聚合物的转移，同
I PEEK 15% CF 5% PTFE + 5% graphite
时低温液氢流体介质可以有效地转移接触区的摩擦
J EP 15% CF 5% TiO2 + 15% graphite
K PEI 5% CF 5% TiO 2 + 15% graphite 热，两者共同作用使其在液氢中的磨损率要低于室温
L PA 15% CF 5% TiO 2 + 5% graphite 氢气氛围 . 除此之外，固体润滑剂对聚合物基材料
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