Page 133 - 《摩擦学学报》2021年第4期

576 摩 擦 学 学 报 第 41 卷

[26]
磨损影响相对较小 .
0.5 In liquid hydrogen
综上所述，尽管在合适的应用工况条件(温度、速
0.4 度和载荷)下，一些聚合物及其复合材料不仅重量轻、
Friction coefficient 0.3 耐腐蚀，而且具有优异的涉氢摩擦学性能，但是众多

聚合物及其复合材料在氢氛围中的摩擦学行为及其
0.2
兼容性和服役可靠性仍需要进一步深入研究
[21-23]
.
0.1 1.2.2 氢气系统中陶瓷基材料摩擦学行为
压电陶瓷材料常常被用于高压氢气喷射的致动
0.0
A B C D E F G H I J K L 器. 在高压氢的作用下，压电材料往往会遭受损伤，瞬

间失效 . 暴露在高压氢气下的压电薄膜会受到严重
[27]
Fig. 6 Friction coefficient of polymer composites in liquid
[21]
hydrogen 的损害，造成材料退化. 经过氢暴露处理后压电陶瓷
图 6 液氢中不同聚合物的摩擦系数 [21] 表面出现起泡等材料退化现象. Alvine等 研究认为
[28]
PZT薄膜系统的表面退化是氢气吸收所致. PZT/Pd压
的机械摩擦行为有显著的影响. 当石墨作为聚合物基
电系统在经过氢暴露处理后，PZT层中的Pb和Pd电极
复合材料的固体润滑剂时，可以显著降低系统的摩擦
会发生相当大程度的混合，这可能是由于氢原子提升
系数，这是由于氢气同石墨反应形成氢碳链降低了摩
了Pb的电负性，降低了Pd的电负性和合金生成热所导
[21]
擦接触面的剪切强度所造成的 .
致的. 经测试，PZT/Pd的表面层具有非常高的氢气浓
聚酰亚胺(PI)以其优异的抗氧化、热稳定性及优
度，这可能是由于Pd层扮演催化剂的角色，加速了氢
异的机械性能而著称，常用于机械摩擦学部件或润滑
气的分解和渗入 [28-29] . 图7 显示了未经热处理(a)和分
[29]
抗磨表面防护材料. Theiler等 [23-24] 研究了聚酰亚胺在
别经氢气(b)、氮气(c)退火处理的PZT/Pt横截面图，氢
氢氛围下的摩擦磨损行为. 研究人员分别制备了以二
气退火后的表界面发生了微观结构变化. 研究人员还
丙酮四酸二酐(BTDA, PI1)和均苯四甲酸二酐(PMDA, 对氢在压电材料中的移动进行了研究 . Alvine 等 [27]
[30]
PI2)为基础的共聚酰亚胺，并在室温与低温环境下对
其摩擦学行为进行研究. 研究结果表明聚酰亚胺的结 (a)
构、低温性能和转移膜的形成会对其摩擦学性能产生
PZT G1 I1
重要影响，在室温氢气氛围中的PI1可以同氢气发生
开环反应，形成一种转移膜从而降低材料的摩擦系数
Pt
和磨损率. 但是在低温条件下转移膜的形成会被抑 (b)
制，从而影响其摩擦性能. 同样，石墨填充的聚合物材
PZT G2 I2
料会形成均匀的润滑膜，在气态氢中表现出优异的滑
动性能，但是在低温下的膜传递机制受到阻碍，导致
Pt
摩擦性能较差.
(c)
PTFE基复合材料是往复式气体压缩机的主要密
封材料，其摩擦磨损性能对压缩机的效率有着严重的 PZT
[25]
影响. Sawae等 研究了高压氢氛围中的PTFE复合材
0.1 μm
料和金属材料组成的摩擦系统的摩擦磨损行为，研究 Pt

发现氢氛围中的金属表面氧化物涂层含量明显减少， Fig. 7 Cross-sectional views of the samples:(a) without heat
增强了聚合物转移膜的形成，从而降低了PTFE的磨 treatment,(b) after H 2 annealing, and (c) after N 2
[29]
annealing (G1 and I1 represent the grain center and the grain
损程度. 研究人员还研究了不同填料对PTFE摩擦磨损 boundary near the interface in the sample before H 2 annealing,
行为的影响，结果表明，青铜填充PTFE对气体压力和 respectively; G2 and I2 represent the point after H 2 annealing)
气体种类更敏感，在高压氢气中表现出良好的摩擦磨 图 7 涂覆PZT的Pt电极截面图：(a)未经热处理；(b)氢退火
[29]
处理；(c)氮气退火处理 （G1和I1分别表示H 2 退火前样品中
损性能，但是高压氦气中则表现出较差的摩擦磨损性
晶粒中心和界面附近的晶界；G2和I2表示经过H 2 退火后的
能. 另外，高压气体环境对石墨填充PTFE材料的摩擦 样品中晶粒中心和界面附近的晶界）