低温摩擦学研究进展：摩擦机理、测试方法与应用

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1. 文章导读

随着航天、航空、军事、超导等尖端技术领域的发展，许多高端装备提出在低温甚至超低温环境中运行工作的需求，然而当温度较低时，传统润滑油、润滑脂的粘度增大甚至固化会导致轴承等关键运动副部件润滑失效，固体润滑材料成为实现运动副润滑的唯一选择。而目前固体润滑材料低温摩擦磨损理论存在较大争议，亟需对现有文献进行整理、归纳，进而为后续研究提供有价值的参考。此外，探索新的低温摩擦实验测试方法与手段是推动低温摩擦学研究的关键。另一方面，轴承等零部件级的低温摩擦磨损理论研究仍很欠缺，而且随着低温润滑要求的提高，如何进一步改善固体润滑材料及部件低温摩擦学性能是一个亟需解决的问题。近期，清华大学机械工程系、高端装备界面科学与技术全国重点实验室的马天宝教授、崔文岩博士、陈宏展博士生、赵建勋博士生、马全胜博士生、徐强博士在SCI核心期刊《极端制造》（International Journal of Extreme Manufacturing, IJEM）上共同发表《低温摩擦学研究进展：摩擦机理、测试方法与应用》的综述，系统介绍了固体润滑材料低温摩擦学理论、实验测试技术的研究进展以及应用现状。图1展示了自20世纪50年代以来低温摩擦学的发展历程，在应用需求的牵引下，以及在温度如何影响摩擦磨损这一科学问题的驱使下，固体自润滑材料低温摩擦学理论与应用研究取得了一系列进展。

亮点：
● 介绍了现有的低温摩擦实验测试方法及设备；● 深入探讨了低温固体润滑与摩擦的物理/化学机理；● 介绍了低温固体润滑在航天、航空等领域的最新应用进展；● 自制了用于材料或轴承低温摩擦测试及原位观测的实验设备。

图1 低温摩擦学研究历程。（图片“a”、“b”、“c”、“f”、“g”来自NASA；“d”经SNCSC许可转载；“e”经授权转载，©2006 IAEA）。

2. 研究背景

20世纪50年代，低温润滑问题首先受到航空等领域的重视，早期的实验结果表明材料的物理机械特性决定低温摩擦系数，粘着摩擦理论同样适用于描述温度对摩擦性能的影响规律。20世纪60年代，研究发现类橡胶聚合物材料摩擦力随温度的非单调变化与其松弛转变关系密切。自20世纪60年代以来，为了解决低温液体火箭发动机涡轮泵轴承在液氢、液氧等低温推进剂中的润滑问题，研究人员发明了多种聚合物基复合材料和软金属涂层用于固体润滑轴承的制备，并提出了固体润滑滚动轴承的转移膜润滑机制。从20世纪80年代到20世纪末，研究发现摩擦过程中材料转移的变化是不同材料摩擦性能与摩擦机理差异的原因，粘着摩擦理论与转移膜润滑理论得到结合。上述工作以及这一时期DLC、MoS₂等涂层材料的低温摩擦学研究受到低温超导装置应用需求的推动。21世纪初期至今，固体润滑在低温液体火箭、红外望远镜等领域的广泛应用进一步引起了人们对低温摩擦学研究的关注。各研究机构针对包括PTFE、DLC和MoS₂涂层在内的固体润滑材料开展了一系列的低温摩擦学研究，为低温摩擦学理论的发展和固体自润滑材料的低温应用做出了贡献。在本文中，马天宝教授等人对低温摩擦学理论、实验测试技术及应用进展进行了详细介绍。

3.最新进展

最新进展主要分为三个部分：材料低温摩擦测试技术，固体润滑材料低温摩擦磨损性能及机理，固体润滑低温应用现状。

材料低温摩擦测试技术：低温、真空等严苛的实验环境要求给摩擦磨损测试带来了如实验环境控制、运动加载模拟、摩擦磨损测量等技术难点（图2），针对现有材料低温摩擦测试设备存在的问题，设计研制了超低温载流摩擦磨损实验及原位观测系统。其采用弹性长悬臂梁测力方案结合磁悬浮无摩擦支撑技术实现了低温等极端工况下多维力学量的传递与高分辨解耦测量；此外还通过低压氦气导冷技术在保证真空摩擦测试环境的同时，实现了旋转样品的大功率制冷与测温控温。最终，该系统实现了-213~177 ℃高真空环境下1~500 N载荷范围、0~10 A载流的球-盘或销-盘旋转摩擦磨损实验及超低摩擦系数（0.001量级）的高精度测量，并可通过红外光谱、显微镜、质谱仪等观测手段对摩擦试样进行原位在线观测，为固体润滑材料低温载流摩擦润滑理论研究提供了新的实验测试手段。

图2 材料低温摩擦测试关键技术及新型材料低温摩擦测试设备：（a）低温实验环境及其实现；（b）低温下运动与载荷模拟；（c）低温环境摩擦系数测量；（d）一种新型低温销/球-盘旋转摩擦测试技术及设备，可实现摩擦系数高精度测量及在低温下摩擦表面的原位在线观测。

固体润滑材料低温摩擦磨损性能及机理：低温下固体润滑材料摩擦性能的变化主要受材料物理机械性能变化、摩擦化学反应及转移膜形成、热激活过程以及聚合物材料松弛转变等因素的影响（图3）。

温度的降低会使材料弹性模量、强度等物理机械性能普遍提高，这导致真实接触面积降低，根据粘着摩擦理论摩擦系数将呈现降低趋势。但低温下材料脆性增大会对摩擦磨损产生不利的影响。

通过调控转移膜的形成有望改善材料的低温摩擦性能，然而，低温对摩擦化学作用及转移膜形成与演化的影响仍存在较大争议，需要开展更加深入系统的研究。

摩擦过程中分子、原子的运动，化学键的断裂和形成等过程都受到热激活现象的影响，温度的降低导致摩擦系数不断增大，并可使用Arrhenius公式表示两者关系。这是提高固体润滑材料低温摩擦性能的最大屏障。

聚合物分子链运动模式随温度的变化是产生松弛转变的原因，聚合物材料的物理机械性能也因此发生急剧的变化，进而影响摩擦性能。损耗因子随温度变化的峰值通常代表聚合物松弛转变的发生，此时普遍出现摩擦系数的拐点。

图3 固体润滑材料低温摩擦磨损机理总结：（a）物理机械性能变化；（b）转移膜与摩擦化学；（c）热激活过程；（d）聚合物松弛转变。

固体润滑低温应用： 这里主要以自润滑关节轴承（图4）和固体润滑滚动轴承（图5）为例介绍固体润滑的低温应用现状。

自润滑关节轴承通常使用聚合物基材料实现润滑，低温风洞是低温自润滑关节轴承的主要应用场景，如图4所示。针对低温风洞中低温、宽温域关节轴承摩擦机理研究与服役性能测试的新要求，设计研制了低温宽温域关节轴承测试平台，实现了关节轴承极低温/宽温域（-173~177 ℃）、高真空（5×10^-5 Pa）/可变气压氮气（19~101 kPa）等极端工况下的摩擦磨损实验及测量，以及上述极端工况下的半外圈关节轴承摩擦过程中转移膜随时间演化的直接观测。

图4 自润滑关节轴承低温应用及实验测试技术：（a）自润滑关节轴承的结构及其在低温风洞中的应用（低温风洞图片经许可转载，版权所有（2011），Elsevier）；（b）关节轴承摩擦测量常用主轴方案；（c）低温宽温域关节轴承测试平台及（d）低温工况半外圈关节轴承内圈摩擦表面原位在线观测。

固体润滑滚动轴承通常通过在内外圈沟道上涂镀MoS₂等固体润滑材料，以及使用聚合物复合材料自润滑保持架实现润滑，如图5所示。其广泛应用于低温液体火箭、空间红外望远镜等航天装备中。为了开展高端低温固体润滑滚动轴承的研发及服役性能测试，研制了超低温真空轴承试验机，通过轴承内外圈大功率联合制冷控温、径向及轴向联合电磁加载技术实现了极低温/宽温域（-173~177 ℃）、高真空（5×10^-5 Pa）/变气氛环境、重载（接触压力可达3.5 GPa）等多种极端工况并存下的滚动轴承摩擦实验及摩擦系数高分辨率测量，为极端工况下超滑轴承服役性能测试及摩擦系数的高精度测量提供有效手段。

图5 固体润滑滚动轴承低温应用及实验测试技术：（a）固体润滑滚动轴承结构形式（“MoS₂”图片经许可转载，Springer Nature；“Carbon Material”图片经许可转载，版权所有（2015），Elsevier）；（b）低温固体润滑滚动轴承在航天领域的应用（Space Shuttle图片来自NASA；Turbopump图片允许公众使用，NTRS；James Webb Space Telescope、Actuator图片来自NASA；Wheel mechanism图片经许可转载，IOP Publishing，Ltd；Mars Rover图片来自NASA）；（c）欧洲航天局ESA（图片经作者许可转载）和（d）韩国科学技术研究院（图片经许可转载，版权所有（2018），Elsevier）研制的用于低温滚动轴承摩擦力矩测量装置；（e）滚动轴承常用摩擦测量方案及（f）一种新型超低温真空轴承试验机，用于低温真空环境固体润滑滚动轴承高精度摩擦系数测量。

4. 未来展望

在材料低温摩擦测试方面，真空环境低至-213 ℃、1~500 N宽载荷范围等极端工况下摩擦系数的高精度测量，盘试样原位在线观测及滑动电接触在线测量等关键技术为低温摩擦磨损机理的研究提供了新的手段。理论研究方面，厘清低温对固体润滑材料转移膜形成与演化的影响机制是开展低温摩擦磨损机理研究的关键。应用层面，低温宽温域关节轴承测试平台、超低温真空轴承试验机的研制，为低温固体润滑轴承的理论研究、设计优化、性能评价提供了完备的手段，有利于开展轴承等零部件级的低温摩擦学研究，加强基础理论研究与轴承应用之间的联系，推动低温固体润滑领域的进一步发展。