Page 134 - 《摩擦学学报》2021年第4期
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第 4 期                          黄辉, 等: 涉氢环境机械部件的摩擦学研究现状                                       577

                                                                                               [33]
                                                                                                       [34]
            利用核磁共振技术发现氢在BTO和PZT两种压电材料                          环境中的氢原子，造成材料氢脆现象 . Lu等 研究
            中均有不同程度的渗透，研究人员认为在氢致动器                             了空位对铝合金氢脆现象的影响，研究认为大量的氢
            中，压电陶瓷烧结过程中产生的微观裂纹和缺陷可能                            原子被捕获并困在1个空位上，通常3个最近邻的空位
                                   [31]
            会影响到氢扩散. Alvine等 还对压电陶瓷的高压氢                        会相互排斥，在Al的滑移面上聚集形成1个三空位结
            损伤机制进行研究，研究表明在高压氢气氛围中                              构，诱导微孔和裂纹产生，最终导致材料破裂. Otsu等                 [16]
            Al/PZT表面生长形成1条铅纳米线，这种纳米线的形                         在研究钢材循环接触滑移过程的摩擦现象时发现，循
            成会给材料带来严重的危害. 总而言之，在氢气氛下                           环接触过程中氢原子比不接触时更容易渗入基材 ，
                                                                                                          [35]
            陶瓷基材料的涉氢摩擦磨损行为及其微观损伤形式                             钢材在氢气氛围下表面会发生黏着磨损，同时钢材表
            尚待进一步研究.                                           面会和H 发生摩擦化学反应形成化学膜. Tanimoto等               [17]
                                                                      2

            1.2.3    氢气系统中金属基材料摩擦学行为                           用热脱附光谱对轴承钢新生表面的氢脆现象进行研
                金属的摩擦行为在很大程度上取决于接触表面                           究，结果表明氢原子的吸附渗透和脱附过程均伴随着
            的状态和性能. 金属面在滑移摩擦过程中会产生沿不                           化学反应过程. 新生接触表面附近的H 和水分子在催
                                                                                                2
            同方向分布的应力，最终造成材料表面结构破坏. 一                           化剂的作用下分解成H原子和O原子，部分在摩擦表
            般研究认为，金属的表面很容易产生1层耐磨金属氧                            面发生反应形成了氧化膜和氢氧膜，部分渗透入金属
            化物薄膜，但是在滚动或滑动摩擦过程中，氧化物薄                            基材内；在脱附过程中，基材内部的H原子和表面的氧
            膜会被磨蚀殆尽从而产生新生的接触面. 环境氢气在                           化膜或氢氧膜反应生成水从而被释放. Tanaka等 发
                                                                                                         [36]
            摩擦过程中被分解为氢原子，吸附累积在金属表面，                            现在PAO合成基础油中添加适量的ZDDP后，可以有
            最终渗入材料内部，造成材料损伤.                                   效降低摩擦过程中金属表面活性位点的产生，从而抑
                不同的材料、接触情况和周围气氛都会造成不同                          制氢离子的形成，抑制氢离子渗透进入材料.

            形式的摩擦磨损. 即使在同样的接触条件下，氢气中                           1.2.4    氢气系统中的纳米固体润滑颗粒对材料摩擦
                                                  [14]  [14]
            的摩擦系数也不同于空气或者其他气体氛围 . 图8                           学行为的影响
            是八种金属材料在氢气和空气环境下的摩擦系数图.                                纳米材料的小尺寸效应在一定程度上可以影响
            从图8中可以看出镍基和铜基合金在氢气中具有较大                            材料的物理化学性能，基于这种对材料性能的改变，
            的摩擦系数，而不锈钢和钴基合金则在氢气中摩擦系                            纳米颗粒的摩擦学行为也有相应的变化. 在动力部件
            数较小，表明在摩擦过程中合金组成会影响到其摩擦                            的机械润滑过程中，纳米润滑粒子除了可以起到减摩

            系数.                                                润滑的作用外，还兼具对摩擦过程中被破坏的金属表
                                                               面膜进行修复及再生的作用 .
                                                                                       [37]

                    1.6
                                                                   暴露在氢气环境中的金属表面极易产生由擦伤、
                                        M400                   微振、磨蚀形成的具有催化作用的新生表面，将气体
                   Friction coefficient in hydrogen  1.0  WC  K500  SUS630  分子分解为原子，进而渗入材料内部造成损伤. 纳米
                    1.4
                    1.2
                                      HC
                                             HB
                                                               材料具有非常小的尺寸，可以在复杂的摩擦副表面产
                    0.8
                                                               生良好的接触效应. 纳米颗粒还可以对接触表面进行
                    0.6
                                                               有效的填充，降低表面粗糙度，形成稳定的润滑膜作
                    0.4
                    0.2
                    0.0            SUS316  ST6                 为物理屏障，减小氢原子渗透的数量. 图9表明了纳米
                                                               颗粒对氢渗透的影响，摩擦膜的形成可以有效地降低
                      0.0   0.2   0.4   0.6  0.8   1.0
                              Friction coefficient in air
                                                               氢渗透作用.
               Fig. 8  Friction coefficients of eight metallic materials in  MoS 和WS 的层间键薄弱，很容易滑动分离，具
                                                                             2
                                                                       2
                                        [14]
                            hydrogen and air                   有很低的摩擦系数，因此，MoS 和WS 纳米添加剂具
                图 8  八种金属材料在氢气和空气中的摩擦系数              [14]                                 2     2
                                                               有比传统润滑剂更好的降低摩擦磨损的优势，并且不
                金属材料在含氢环境中更容易发生表面剥落和                           相称单层MoS 显现出极佳的超润滑特性                   [38] . 虽然
                                                                            2
            滚动接触疲劳，摩擦副表面在摩擦过程中会形成均匀                            MoS 的大部分表面是惰性的，但是边缘活性位点为其
                                                                   2
            性不一致的氧化膜，造成局部应力过大，降低疲劳寿                            提供了主要的催化活性，经活化后的H 吸附在表面并
                                                                                                2
                                                                             [39]
              [32]
            命 . 除此之外，合金中的微观缺陷很有可能会捕获                           进行原子间迁移 ，可能是造成MoS 在氢系统中寿命
                                                                                              2
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