最近，美陸軍作戰(zhàn)能力發(fā)展研究實(shí)驗室的研究人員開發(fā)了一種新方法，用于分析鋼和氮化硅之間的摩擦反應(yīng)機(jī)理，主要研究機(jī)械結(jié)構(gòu)動態(tài)下而非靜止時接觸部位發(fā)生的瞬時化學(xué)反應(yīng)。用研究人員的話來說，部分結(jié)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(yùn)行，其實(shí)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(fā)表在科學(xué)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(jī)械接觸過程中對鋼的反應(yīng)，以更好地了解設(shè)備故障

當(dāng)機(jī)械零件長時間相互滑動時，持續(xù)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(yùn)動中相互作用時的摩擦、磨損和潤滑被稱為摩擦學(xué)，其在材料科學(xué)和工程中的重要性使研究人員找到了檢測干機(jī)械接觸的新方法。

“機(jī)械系統(tǒng)在運(yùn)行過程中的動態(tài)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(jìn)行測量，則不會捕捉到瞬態(tài)化學(xué)反應(yīng)和物理變化，因為系統(tǒng)可能在摩擦加熱冷卻后發(fā)生變化。陸軍研究物理學(xué)家Stephen Berkebile博士說。在與德克薩斯大學(xué)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(jī)理。

研究人員認(rèn)為，鋼和氮化硅之間的相互作用通常發(fā)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(fā)動機(jī)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(xué)，對于為士兵開發(fā)更好、更安全的車輛和設(shè)備至關(guān)重要。

Berkebile博士舉例，“鋼/氮化硅接觸的混合軸承越來越多地應(yīng)用于直升機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)中的渦輪機(jī)械中，在驅(qū)動系統(tǒng)失去潤滑油后，軍用直升機(jī)必須運(yùn)行30分鐘。”據(jù)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(xué)響應(yīng)。“通過結(jié)合兩種光學(xué)方法和實(shí)時摩擦數(shù)據(jù)，我們可以了解磨損機(jī)理中的化學(xué)轉(zhuǎn)變，當(dāng)化學(xué)反應(yīng)發(fā)生時，我們能夠在實(shí)驗的主動操作過程中關(guān)聯(lián)機(jī)械接觸的摩擦、溫度和化學(xué)狀態(tài)。”

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

他們發(fā)現(xiàn)在大約4.5米/秒的臨界滑動速度下產(chǎn)生的摩擦加熱導(dǎo)致化學(xué)反應(yīng)，在高負(fù)荷接觸區(qū)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(jī)械相互作用隨著滑動速度的增加而表現(xiàn)出較低的摩擦和磨損。使用這種新方法，研究小組從實(shí)驗過程中對磨損痕跡顏色變化的觀察中，確定了化學(xué)反應(yīng)發(fā)生的準(zhǔn)確時間。此外，研究人員還確定，在齒輪和軸承類條件下，當(dāng)滑動速度超過9m/s時，這種現(xiàn)象是完全活躍的。

該項研究將有可能提升陸軍開發(fā)承受高溫、高負(fù)荷和高速機(jī)械的能力！

編譯 YUXI