最近，美陸軍作戰能力發展研究實驗室的研究人員開發了一種新方法，用于分析鋼和氮化硅之間的摩擦反應機理，主要研究機械結構動態下而非靜止時接觸部位發生的瞬時化學反應。用研究人員的話來說，部分結論也是違反直覺的，如氮化硅/鋼軸承以更高而不是更低的速度運行，其實際使用壽命反而更長。

該研究最初在去年11月公布，并于2月15日發表在科學期刊“磨損”（ Wear）上，DOI:10.1016/j.wear.2019.203111。

陸軍研究人員正在研究氮化硅在干滑動機械接觸過程中對鋼的反應，以更好地了解設備故障

當機械零件長時間相互滑動時，持續的磨削可能會磨損金屬表面，直到零件不再工作。研究兩個或多個表面在相對運動中相互作用時的摩擦、磨損和潤滑被稱為摩擦學，其在材料科學和工程中的重要性使研究人員找到了檢測干機械接觸的新方法。

“機械系統在運行過程中的動態變化很劇烈，如果在操作過程中沒有捕捉到，而是在低速移動時進行測量，則不會捕捉到瞬態化學反應和物理變化，因為系統可能在摩擦加熱冷卻后發生變化。陸軍研究物理學家Stephen Berkebile博士說。在與德克薩斯大學合作的項目中，研究小組主要研究鋼和氮化硅之間的摩擦作用機理。

研究人員認為，鋼和氮化硅之間的相互作用通常發生在刀具加工以及在高速軸承失去潤滑源的緊急情況下，如噴氣發動機渦輪中的軸承。了解這兩種材料之間高速滑動接觸背后的動力學，對于為士兵開發更好、更安全的車輛和設備至關重要。

Berkebile博士舉例，“鋼/氮化硅接觸的混合軸承越來越多地應用于直升機推進系統中的渦輪機械中，在驅動系統失去潤滑油后，軍用直升機必須運行30分鐘。”據研究人員稱，這項試驗是首次在高速滑動試驗中分析鋼和氮化硅的摩擦學響應。“通過結合兩種光學方法和實時摩擦數據，我們可以了解磨損機理中的化學轉變，當化學反應發生時，我們能夠在實驗的主動操作過程中關聯機械接觸的摩擦、溫度和化學狀態。”

氮化硅球以（a）1.5 m/s和（b）15 m/s的速度對高速旋轉鋼盤產生明顯不同的磨損軌跡。

他們發現在大約4.5米/秒的臨界滑動速度下產生的摩擦加熱導致化學反應，在高負荷接觸區留下一層潤滑薄膜。這種光滑的薄膜使得鋼和氮化硅之間的機械相互作用隨著滑動速度的增加而表現出較低的摩擦和磨損。使用這種新方法，研究小組從實驗過程中對磨損痕跡顏色變化的觀察中，確定了化學反應發生的準確時間。此外，研究人員還確定，在齒輪和軸承類條件下，當滑動速度超過9m/s時，這種現象是完全活躍的。

該項研究將有可能提升陸軍開發承受高溫、高負荷和高速機械的能力！

編譯 YUXI