Page 136 - 《摩擦学学报》2021年第4期
P. 136
第 4 期 黄辉, 等: 涉氢环境机械部件的摩擦学研究现状 579
化镍涂层，降低摩擦系数. 实验通过改变氢气分压进 磨蚀磨损现象，摩擦副在接触相对滑动过程中，会和
一步研究金属Ni表面的摩擦化学反应，结果表明当氢 氢气发生物理或化学反应，并伴随着机械作用造成材
气分压足够低时，表面几乎无反应发生；氢气分压和 料的损伤. 如图11所示，不同材料(金属、聚合物、陶瓷
水分压相当时，水分子就会在金属Ni表面发生物理吸 等)的机械部件表面在往复摩擦过程中与多种因素共
附，形成1层水膜降低摩擦系数；当氢气分压足够大， 同作用，在材料表面产生损伤并形成具有催化性能的
在金属表面氢气会和其他杂质气体分子分解并发生 新生表面. 氢气在新生催化位点和摩擦热的协同作用
化学反应形成氢氧化镍，降低摩擦系数. Fukud等 [47] 下被分解成氢原子吸附在材料表面，并伴随着摩擦过
研究了痕量水对纯Fe在氢气氛围中的摩擦学行为，研 程缓慢渗入材料内部. 随着氢原子的不断渗入，在金
究结果表明痕量水在氢气环境中扮演着润滑剂作用， 属原子间隙中做扩散运动，最终在某一特定区域富集.
摩擦过程中水分子会吸附在金属表面，形成多层结构 基于材料在氢环境中的物理化学行为特点，可以
的水分子薄膜，从而降低磨损. 从以下两方面讨论抑制氢致损伤：一方面抑制材料表
面新生催化位点的形成，避免氢气分解为氢原子；另
2 抑制氢致损伤可行性技术及材料选择
一方面利用氢气与金属容易反应的特点，利用氧化还
2.1 氢气与摩擦表界面的物理化学作用机制 原反应在材料表面形成氢化物保护涂层，减缓氢原子
氢环境中移动和滑动部件往往遭受更为严重的 对材料的渗入.
Materials Surface Surroundings
Load
Formation of Hydrogen
initial surface
Polymer
Load
Lubricants
Ceramic
Water
Metal H 2 O and lubricants Load
discompose on
initial surface
Nano-additive Other impurity
Hydrogen permeation
Catalysis
H 2 &R-(CH) 2 -R’ H+R’’-(CH 2 )-R’’’
Fig. 11 Interface diagram of hydrogen and material table
图 11 氢气与材料表界面作用示意图
2.2 动力部件抑制氢致损伤可行性技术及材料 生，抑制了油/水/氢气分子的分解和氢原子的生成；另
传统润滑油/脂不适用于氢内燃动力系统关键机 一方面氢通过与铁基材发生氧化还原反应生成摩擦
械部件的润滑，可能还会对氢能源造成污染. 但是烃 膜减少了氢含量，同时摩擦膜作为物理屏障抑制了氢
类润滑油在抑制氢致损伤方面效果不容忽视. Ratoi 渗透.
等 研究认为烃类润滑油可能会通过加氢裂解的方 除了传统的液体润滑方式，固体润滑被认为是氢
[48]
式在摩擦轨道表面形成化学膜，抑制氢脆现象. 摩擦 内燃动力系统关键机械部件较为合适的润滑方式，但
表面通过氧化形成的摩擦膜和在磨损轨道上的润滑 是并非所有的固体润滑材料都可以作为涉氢环境润
油降解形成的摩擦膜，共同阻碍了新生催化位点的产 滑材料. 在空气环境中，MoS 涂层具有非常低的摩擦
2
