張 瑞, 張 弘, 柴利強(qiáng), 王 鵬*

(1. 中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所 固體潤滑國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 甘肅 蘭州 730000;2. 中國科學(xué)院大學(xué), 北京 100049)

隨著社會(huì)生產(chǎn)力的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，人類對(duì)能源的利用范圍不斷擴(kuò)大，能源的地位也顯得越來越重要. 目前化石燃料的儲(chǔ)量估計(jì)只能再供人類使用100到200年，所以探索新能源是擺在人類面前的1項(xiàng)緊要的戰(zhàn)略任務(wù)[1]. 直到上世紀(jì)50年代，核電站登上世界能源舞臺(tái)，其能以極少的燃料就可提供巨大的能量[2-3]. 這種核電站以核裂變反應(yīng)為基礎(chǔ)，主要以鈾核為原料. 但地球上的鈾儲(chǔ)量并不豐富，且反應(yīng)產(chǎn)生的廢料具有放射性，處理困難. 所以以此解決能源問題并不是長久之計(jì). 隨后，人們注意到了新的反應(yīng)形式—聚變反應(yīng)，其釋放的能量比裂變反應(yīng)的更大，且原材料儲(chǔ)備豐富，可供人類利用幾百億年[4]. 受控核聚變需要將氘和氚加熱到上億度的高溫以提供兩者聚變足夠的動(dòng)能，并將其約束在有限的空間內(nèi)進(jìn)行反應(yīng)[5-6]. 實(shí)現(xiàn)可控核聚變主要有激光慣性約束和磁約束2種方式.

國際熱核聚變試驗(yàn)堆(ITER)計(jì)劃集成了當(dāng)今國際受控磁約束核聚變研究的主要科學(xué)技術(shù)成果，正在法國南部建設(shè)并預(yù)計(jì)在2028年建成放電. ITER計(jì)劃是目前我國以平等、全權(quán)伙伴身份參加的規(guī)模最大的國際科技合作計(jì)劃. ITER裝置由超高真空室、縱向磁場系統(tǒng)、極向磁場系統(tǒng)、內(nèi)外冷屏、外真空杜瓦和真空系統(tǒng)6大部件組成. 其裝置的中心是被屏蔽包層的環(huán)形包套所包裹的高溫氘氚等離子體，在包層外是穿在16個(gè)大型超導(dǎo)環(huán)向場線圈中的巨大環(huán)形真空室，在下側(cè)有排出反應(yīng)氦氣的偏濾器與真空室相連；穿過環(huán)的中心是1個(gè)巨大的中心螺管，在環(huán)向場線圈外側(cè)還布有6個(gè)極向場線圈，兩者用以產(chǎn)生等離子體電流，控制等離子體位移，上述裝置整個(gè)處于1個(gè)大杜瓦中.

如圖1所示，ITER大裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在安裝、運(yùn)行以及維護(hù)等方面都涉及到潤滑問題，考慮到裝置的服役環(huán)境，這些部件使用的潤滑材料在服役過程中承受著高低溫、真空以及十幾個(gè)MeV的高能中子輻照[7-9].理解材料在如此惡劣環(huán)境下的選擇與服役行為對(duì)保障整個(gè)裝置的安全運(yùn)行及后期維護(hù)至關(guān)重要[10-16]. 本文中主要總結(jié)了聚變堆中幾大關(guān)鍵部件和遠(yuǎn)程操作系統(tǒng)組件中的潤滑研究現(xiàn)狀，并對(duì)潤滑材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了一些展望與建議.

Fig. 1 (a) Blanket modules of the JET vessel and (b) the blanket RH system; (c) section of vertical maintenance systemarchitecture and (d) operation of the remote manipulator in the torus[14-16]圖1 (a) JET真空室包殼模塊和(b)包殼的遠(yuǎn)程操作系統(tǒng)；(c)部分垂直維護(hù)系統(tǒng)架構(gòu)和(d)機(jī)械手在環(huán)形室內(nèi)的操作[14-16]

1 總體結(jié)構(gòu)組件中的潤滑

1.1 支撐系統(tǒng)

1.1.1 真空室支撐系統(tǒng)(國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆ITER中)

ITER真空室(Vacuum vessel，VV)是磁約束聚變反應(yīng)的容器，為雙層不銹鋼結(jié)構(gòu)，基本形狀為中空環(huán)形，其大環(huán)外徑為19.4 m，高度為11.3 m. 真空室由9個(gè)尺寸一樣的跨度為40°的扇形單元組成，其支撐系統(tǒng)結(jié)構(gòu)通過9個(gè)周向分布的鉸鏈與地基連接，如圖2所示，這些鉸鏈必須足以承受自身重力和磁場以及電場運(yùn)行過程中的電磁力載荷，同時(shí)也能夠允許真空容器在烘烤和運(yùn)行過程中發(fā)生微動(dòng)(徑向熱膨脹)[17-18].

Fig. 2 Position of the VV support within ITER and test mock up assembly[19]圖2 ITER內(nèi)真空室支撐結(jié)構(gòu)的位置及測試模擬組裝[19]

為使真空器處于穩(wěn)定的平衡狀態(tài)，鉸鏈?zhǔn)街蜗到y(tǒng)引入了15°的傾角，以提供向心力. 由于這種傾斜，鉸鏈在真空室運(yùn)行和烘烤過程中可以旋轉(zhuǎn). 如果銷釘被夾在鉸鏈中，由于被夾住的銷釘內(nèi)的約束位移，支撐系統(tǒng)會(huì)受到很大的應(yīng)力，進(jìn)而導(dǎo)致支架的穩(wěn)定性下降. 因此，在銷釘上必須涂敷合適的潤滑涂層，以避免接觸區(qū)域發(fā)生擴(kuò)散粘結(jié).

韓國國家核聚變研究所的Kim等[19]用不同的薄膜和干膜涂層制作了幾套試樣來考察使用效果. 每套試樣包括1個(gè)銷釘和1個(gè)鉸鏈，考慮到真空和溫度的兼容性以及適用性，選擇WS2和MoS2作為銷釘?shù)耐繉硬牧?，其中WS2厚度為0.5 μm，于韓國Samsan公司和法國Dicronite公司制備；MoS2干膜于韓國Samsan公司采用噴涂法制備，在180 ℃加熱固化60 min，厚度約為15 μm.試驗(yàn)共設(shè)計(jì)了10套試樣，其中，前4套(P1~P4)以660不銹鋼為基底，分別采用WS2(韓)、WS2(法)、MoS2和AlCu 這4種不同的涂層制作的銷釘與鉸鏈進(jìn)行對(duì)摩以找到合適的候選涂層材料；根據(jù)初步的測試結(jié)果，后6套(Q1~Q6)以MoS2干膜作為銷釘?shù)耐繉硬牧?，分別與660不銹鋼材料、AlCu材料以及涂有MoS2干膜的鉸鏈進(jìn)行對(duì)摩.

合格測試試驗(yàn)中考慮了室內(nèi)溫度(20 ℃)、烘烤溫度(200 ℃)和操作溫度(100 ℃)，每次滑動(dòng)距離為10 mm，循環(huán)次數(shù)分別為10、25和125次，施加壓強(qiáng)為160和200 MPa，并在涂層合格測試后施加500 MPa的壓強(qiáng)用以模擬極端環(huán)境下的載荷. 涂層認(rèn)定和性能測試的統(tǒng)計(jì)結(jié)果列于表1中. 由于摩擦系數(shù)與涂層可靠性之間存在很強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性，因此在典型和有代表性的測試步驟中進(jìn)行了摩擦系數(shù)的測定. 在試樣測試完成后根據(jù)缺陷的大小和涂層表面的外觀確定等級(jí). 在測試結(jié)果中可以發(fā)現(xiàn)Q3~Q6 (銷釘為MoS2涂層；鉸鏈為AlCu材料或者涂有MoS2干膜)的摩擦系數(shù)在可接受范圍內(nèi)，有望在ITER的烘烤和運(yùn)行條件下應(yīng)用于真空室支撐的定位銷中.

表1 每個(gè)步驟測試期間的摩擦系數(shù)Table 1 Friction coefficient at each step during the test

Christoph等[20]在上述研究的基礎(chǔ)上，對(duì)不同的基體材料[660鋼和苯并噁嗪樹脂(AIBz)]和涂層(MoS2，WS2和未涂層)組合進(jìn)行了試驗(yàn)，并設(shè)計(jì)了1個(gè)按原件比例縮小1/3的模型，首次成功進(jìn)行了重力載荷(1.7 MN)和徑向膨脹(通過旋轉(zhuǎn)銷釘模擬)的驗(yàn)證試驗(yàn). 取樣試驗(yàn)的目的是選擇和驗(yàn)證主鉸鏈/銷和銷/塊圓柱軸承的材料和涂層. 滑動(dòng)界面的測試要求為高達(dá)500 MPa的接觸壓力，最高可達(dá)700 kN的法向力，在0.5 Pa真空下運(yùn)行，涂層可承受室溫(RT)到200 ℃的烘烤溫度并經(jīng)歷600次循環(huán).

試驗(yàn)設(shè)定了1個(gè)測試序列以模擬ITER的壽命與烘烤和運(yùn)行周期，其參數(shù)列于表2中. 測試后結(jié)果表明MoS2具有較低的摩擦系數(shù)，且比WS2更穩(wěn)定. 使用MoS2涂層后，與鋼/鋼滑動(dòng)配對(duì)相比，AIBz基底能提高潤滑壽命. AIBz基底與MoS2涂層的組合，即使在溫度變化的情況下其摩擦系數(shù)也穩(wěn)定在0.2~0.3之間. 因此，根據(jù)測試結(jié)果，建議在真空室支撐滑動(dòng)界面上預(yù)制MoS2涂層并采用AIBz的墊圈.

表2 典型的測試方案Table 2 Typical test sequence

1.1.2 超導(dǎo)線圈支撐單元(NSE)

超導(dǎo)線圈是實(shí)現(xiàn)高密度等離子體約束的重要部件，ITER約束磁場的實(shí)現(xiàn)包括6個(gè)極向場磁體線圈、1個(gè)中心磁體螺線管線圈和18個(gè)縱向場/校正場線圈.分別用來控制等離子體位形、約束等離子體運(yùn)動(dòng)和熱等離子體. ITER托卡馬克中維持低溫對(duì)超導(dǎo)磁場系統(tǒng)來說至關(guān)重要，高于-269 ℃將使得ITER超導(dǎo)磁場系統(tǒng)失超而停止等離子體運(yùn)行. 以德國馬普等離子體物理研究所建造的超導(dǎo)螺旋先進(jìn)仿星器Wendelstein 7-X (W7-X)為例[21-22]. 為了保證線圈的超導(dǎo)性，線圈和其的支撐結(jié)構(gòu)被封閉在外部容器內(nèi)并保持低溫環(huán)境.等離子體容器、線圈結(jié)構(gòu)和外部容器必須分別支撐[23-24]，如圖3所示. 此外，支撐結(jié)構(gòu)需要具備垂直可調(diào)性和水平可移動(dòng)性，從而補(bǔ)償放電過程中電磁力與機(jī)械振動(dòng)產(chǎn)生的微動(dòng). 因此需配備液壓缸的等離子體容器支架(PVS)、裝配期間的特殊滑動(dòng)臺(tái)和運(yùn)行階段的鐘擺支架來實(shí)現(xiàn)[25].

Fig. 3 (a) Schematic cut of cryostat and (b) plasma vessel module with vertical supports[23]圖3 (a)低溫恒溫器和(b)垂直支撐的等離子體管模塊示意圖[23]

為了保證仿星器高真空、超低溫以及大載荷環(huán)境下的安全運(yùn)行(工作要求：真空度< 10-4Pa，溫度~4 K，最大載荷1 500 kN，典型位移5 mm，滑動(dòng)平穩(wěn)且無黏滑)，NSEs需要減摩涂層配合鋁青銅對(duì)偶實(shí)現(xiàn)潤滑效果. 該青銅合金即使在低溫條件下變形時(shí)，仍然具有延展性且具有合適的潤滑性能，但在高載荷下不足以避免黏滑效應(yīng). 因此，所有的滑動(dòng)表面都必須涂敷適合于低溫真空的潤滑材料，可以保障機(jī)組在5年的組裝和20年的無維護(hù)運(yùn)行中正常使用.

MoS2廣泛應(yīng)用于航天工業(yè)的真空條件下，在所有NSE候選材料的測試中表現(xiàn)出最佳的性能[26-27]. 通過濺射法制備的MoS2薄膜，在真空和低溫條件下表現(xiàn)出極低的摩擦. 德國馬普研究所的Lingertat等[26]采用了未涂敷、噴涂MoS2涂層和物理氣相沉積MoS2(PVDMoS2)薄膜3種不同的表面處理方法制備樣品，研究了液氦和高負(fù)載下MoS2涂層的摩擦學(xué)性能. 裝置安裝在低溫恒溫器內(nèi)，試驗(yàn)樣品浸泡在液氦中. 測試后發(fā)現(xiàn)噴涂MoS2出現(xiàn)黏滑現(xiàn)象，且涂層出現(xiàn)起泡與脫落，如圖4所示，完全脫落后，黏滑現(xiàn)象消失. 這可能是不銹鋼與MoS2的熱膨脹系數(shù)不匹配導(dǎo)致的，也可能是因?yàn)橐汉みM(jìn)入到薄膜與基體間隙吸收摩擦熱后使薄膜氣泡脫落. 而PVD-MoS2薄膜因?yàn)槟?基結(jié)合強(qiáng)度更高，未出現(xiàn)鼓包和脫落現(xiàn)象.

Fig. 4 SEM micrographs of the contacting surfaces after low temperature friction test showing flaking and blistering[26]圖4 低溫摩擦測試后接觸表面的SEM照片[26]

德國聯(lián)邦材料研究與測試中心的Gradt等[27]在4.2 K液氦和室溫真空條件下，在高接觸壓力和極低滑動(dòng)速度下，測試了噴涂MoS2涂層和PVD-MoS2薄膜的摩擦行為. 圖5所示為特定測試參數(shù)下噴涂MoS2涂層和PVD-MoS2薄膜3個(gè)循環(huán)的摩擦系數(shù)與位移間的關(guān)系，對(duì)每次循環(huán)的摩擦系數(shù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)并創(chuàng)建為閉合的摩擦環(huán). 從圖5中可以發(fā)現(xiàn)，3次循環(huán)的摩擦系數(shù)曲線幾乎重疊在一起，說明數(shù)據(jù)具有很好的再現(xiàn)性. 結(jié)果顯示，噴涂MoS2涂層的摩擦系數(shù)顯著高于PVD薄膜，但相對(duì)于未潤滑狀態(tài)仍然較低. MoS2作為噴涂涂層或者PVD薄膜都具有非常穩(wěn)定的滑動(dòng)行為和較低的摩擦系數(shù). 此外，在摩擦系數(shù)值為0.10的情況下，其可以作為1種高成本效益和易于使用的抗磨涂料. 然而，與Lingertat等[26]的測試結(jié)果相同的是，噴涂MoS2涂層是極低溫度下摩擦行為不穩(wěn)定的源頭，而PVD-MoS2薄膜則表現(xiàn)出穩(wěn)定的滑動(dòng)狀態(tài).

Fig. 5 Friction coefficient vs. displacement of (a) MoS2-spray and (b) PVD-MoS2 on steel against Al-bronze[27]圖5 特定測試參數(shù)下(a)噴涂MoS2和(b) PVD-MoS2的摩擦系數(shù)與位移間的關(guān)系[27]

同樣，德國馬普研究所的Koch等[28]通過磁控濺射技術(shù)制備了無明顯柱狀結(jié)構(gòu)的MoS2潤滑薄膜，并在薄膜表面沉積了1層15 nm厚的金屬Ti用以防潮. 防潮薄膜首選脆性材料，以便在運(yùn)行時(shí)破裂露出下方的MoS2從而在真空中提供潤滑. 圖6所示為室溫空氣與低溫真空2種測試條件下的支撐墊表面照片. 薄膜的測試結(jié)果顯示，在低溫真空且1.0 MN以上的大載荷下薄膜承受了超過4 300次的循環(huán)，滿足了W-7X仿星器的終身服役要求. 滑動(dòng)表面采用粗糙度極低的襯墊和MoS2潤滑劑組合獲得了最佳的潤滑效果.

Fig. 6 Photo of pad surface after friction test: (a) room temperature in air; (b) low temperature in vacuum[28]圖6 摩擦測試后的墊塊表面照片：(a)室溫空氣下；(b)低溫真空[28]

1.2 端口單元處理系統(tǒng)

端口單元是1個(gè)水冷不銹鋼支撐結(jié)構(gòu)，安裝于赤道和真空容器的上部端口，如圖7所示. 其不僅承載了徑向中子攝像機(jī)(RNC)、高分辨中子光譜儀(HRNS)、伽馬射線光譜儀、運(yùn)動(dòng)斯塔克效應(yīng)(MSE)系統(tǒng)以及偏濾器雜志檢測儀(DIM)等10項(xiàng)診斷系統(tǒng)，還提供烘烤、冷卻和中子屏蔽功能[29-30]. 在等離子體操作狀態(tài)(POS)期間，每個(gè)端口單元都用螺栓固定在其各自的真空室端口擴(kuò)展組件上. 單元的正面直接暴露在等離子體中，因此必須保證其更換或修復(fù). 單元遠(yuǎn)程處理系統(tǒng)(CPRHS)的目的是插入和移除安裝在Tokamak赤道和上層的ITER端口單元. 由于端口單元的激活和污染程度導(dǎo)致無法進(jìn)行手動(dòng)操作，因此通過CPRHS來確保單元在組件之間的安全轉(zhuǎn)移. 端口單元導(dǎo)向和滑動(dòng)功能永久地連接到單元和容器，其操作部件必須承受苛刻的腔室內(nèi)條件. 在POS期間，部件要承受超高真空、250 ℃的高溫、伽馬和高能中子輻照、等離子體的熱輻射、高磁場和大磁通量變化等條件. 同時(shí)，端口單元的處理過程必須在空氣中進(jìn)行，在室溫和控制濕度下，以較低的轉(zhuǎn)換速度避免灰塵的產(chǎn)生/傳播. 因此，這些連接部位需做固體潤滑處理以防止黏附[31].

Fig. 7 Extract of ITER poster [32]圖7 ITER縮放的端口單元[32]

Josseaume等[32]將CPRHS的處理過程復(fù)制在1個(gè)按比例縮小的物理模型上，如圖8所示，并進(jìn)行了摩擦學(xué)測試以確定與腔室內(nèi)環(huán)境條件兼容的合適材料，并優(yōu)化摩擦系數(shù). 其利用線性往復(fù)式摩擦機(jī)模擬了導(dǎo)軌滑塊的滑動(dòng)特性，使用漸進(jìn)加載的方法測試了幾種配置，并列于表3中.

表3 執(zhí)行的摩擦測試方案Table 3 List of tribology testing performed

Fig. 8 Upper Port plug handing features[32]圖8 上端口單元處理特性[32]

在所有測試中，鋼軌材料是AISI 669不銹鋼，滑軌材料是鋁青銅CuAl10Ni5Fe4. 在試驗(yàn)前采用類金剛石碳(DLC)涂層進(jìn)行了1次初步測試. 測試觀察到摩擦系數(shù)在0.3~0.35之間，經(jīng)過幾個(gè)循環(huán)后，軌道上DLC涂層部分磨損，從而出現(xiàn)磨損加劇，摩擦系數(shù)增加，合金被磨損轉(zhuǎn)移到滑軌上. 在滑動(dòng)階段，除了黏著和滑移外，前輪向前的壓力出現(xiàn)過大的現(xiàn)象. 初步測試的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，軌道的高磨損沒有影響到測試單元的成功移除/插入.

在表3中，A~D的測試包括對(duì)現(xiàn)有材料進(jìn)行一些改進(jìn)，如拋光或MoS2噴涂，E~H的測試包括其他替代處理方法和涂層. 在性能測試中，G和H組的測試結(jié)果最好. G組中，MoS2噴涂在涂有Mo膜的滑塊上仍不足以滿足5~7.5 MPa的接觸壓力范圍. 8 h的滑動(dòng)測試表明，這種組合在10~20 m的滑動(dòng)距離內(nèi)是有效的，但在之后幾米內(nèi)就很快失效了. H組的DLC薄膜最高可承受25 MPa的壓力，有效滑動(dòng)距離為100 m，即使樣品在相同的表面上連續(xù)滑動(dòng)，導(dǎo)軌上的磨損也非常有限.而在實(shí)際系統(tǒng)中，2個(gè)可能的維護(hù)操作之間的滑動(dòng)距離約為30 m. 進(jìn)一步對(duì)H組測試發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過20個(gè)完整的處理周期，摩擦系數(shù)穩(wěn)定在0.11左右，交叉階段摩擦系數(shù)增加不超過0.15，導(dǎo)軌和滑軌的磨損非常有限. 第2次測試結(jié)果是無論在實(shí)際工況還是退化條件下，都成功地驗(yàn)證了引導(dǎo)、滑動(dòng)和轉(zhuǎn)移過程.

1.3 離子回旋加速器天線

磁約束可控核聚變反應(yīng)需要對(duì)等離子體進(jìn)行加熱，為其提供克服靜電斥力進(jìn)而相互碰撞反應(yīng)所需的動(dòng)能. 加熱方式一般采用歐姆加熱(環(huán)向電流提供)和輔助加熱(中性束注入、射頻加熱). 射頻加熱包括阿爾芬波、離子回旋波、低混雜波和電子回旋波4個(gè)頻段.其中，離子回旋共振加熱(ICRH)已成為Tokamak等離子體輔助加熱的主要手段之一. ITER離子回旋共振加熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)用于高達(dá)3 600 s的長脈沖期間和各種等離子體條件下，同時(shí)要承受著高真空、高溫、大電流和高載荷等惡劣環(huán)境，并在40~50 MHz頻率范圍內(nèi)耦合來自2根加熱天線的20 MW射頻功率的等離子體.射頻觸點(diǎn)集成在ITER ICRH發(fā)射器中，以確保射頻電流的連續(xù)性，并通過允許可拆卸真空傳輸線同軸導(dǎo)體在射頻操作或250 ℃烘烤階段的自由膨脹，使機(jī)械組裝更容易. ICRH在射頻核聚變研究中電觸點(diǎn)的使用已經(jīng)在各種聚變實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行了研究和使用. 這些觸點(diǎn)的目的通常是為了簡化結(jié)構(gòu)的裝配和減小滑動(dòng)摩擦，并降低熱機(jī)械應(yīng)力. 根據(jù)不同的用途，這些滑動(dòng)觸點(diǎn)可以放置在加壓或真空環(huán)境中[33].

早期金屬-金屬觸點(diǎn)的連接器設(shè)計(jì)受到高摩擦、磨損和發(fā)熱的困擾，這主要?dú)w因于電化學(xué)氧化和電弧放電，觸電故障前后的對(duì)比如圖9所示. 對(duì)于工作在高溫和高真空條件下的電觸點(diǎn)，潤滑性能是至關(guān)重要的，涂層可以提高其電性能和使用壽命. 對(duì)于射頻應(yīng)用，幾十微米的厚度對(duì)于接觸材料足以滿足要求，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其所需的結(jié)構(gòu)尺寸. 此外，射頻接觸元件的幾何形狀通常比較復(fù)雜，對(duì)整個(gè)射頻接觸元件的涂層均勻性要求較高. 由于這些原因，射頻接觸鍍層一般采用電鍍. 理想的真空電接觸涂層材料應(yīng)具有以下特點(diǎn)：高導(dǎo)電性、高導(dǎo)熱性和高溫下良好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，即使在高溫和高真空下也具有低摩擦系數(shù)和高耐磨性. 這些要求有時(shí)是對(duì)立的，很難找到1種材料來滿足上述所有要求. 與單一金屬沉積相比，合金沉積通常具有更優(yōu)越的性能. 在一定的成分范圍內(nèi)，可使鍍層更硬且更致密，并且具有更高的耐腐蝕性和耐磨性.由于歐姆損耗和接觸電阻的存在，接觸區(qū)的高熱沉積是不可避免的. 考慮到ITER ICRH射頻接觸點(diǎn)的電流密度較大，接觸柵格及其正面部件都應(yīng)使用高導(dǎo)電和導(dǎo)熱性的材料. 與純銅相比，CuCrZr具有更好的機(jī)械性能和較低的導(dǎo)電性，成為柵格材料的首選. Chen等[34]選擇CuCrZr-316L摩擦副研究了其接觸電阻(Rc)和摩擦系數(shù). 摩擦系數(shù)主要有3個(gè)主要影響因素：溫度、滑移速度和法向力. 受限于射頻接觸點(diǎn)的機(jī)械結(jié)構(gòu)、冷卻設(shè)計(jì)及運(yùn)行過程熱沉積，射頻接觸點(diǎn)的正常工作溫度難以預(yù)測. 在材料性能研究中，以200 ℃的操作溫度作為估算值模擬真實(shí)的溫度條件. 在200 ℃時(shí)，Rc對(duì)法向接觸力不敏感，而在18 N之后，Rc幾乎沒有變化. 接觸不良會(huì)導(dǎo)致射頻接觸點(diǎn)發(fā)生電弧和熔化，因此在滑動(dòng)試驗(yàn)中選擇18 N以保證電接觸點(diǎn)的穩(wěn)定性. 樣品的滑動(dòng)速度為1 mm/s，真空約為7×10-4Pa，在上述條件下進(jìn)行2 000次滑動(dòng)試驗(yàn)，滑動(dòng)行程為16 mm，Rc和摩擦系數(shù)的瞬態(tài)結(jié)果如圖10所示. 在滑動(dòng)開始時(shí)，接觸面是光滑的，摩擦系數(shù)約為0.1. 在200次循環(huán)之前，摩擦系數(shù)僅從0.12變化到0.15. 經(jīng)過220次循環(huán)后，摩擦系數(shù)值變化加快，近700次循環(huán)時(shí)摩擦系數(shù)到達(dá)0.25.摩擦系數(shù)的最大值出現(xiàn)在1 400次前后，達(dá)到0.3. 而Rc則相反，由于氧化層的存在，當(dāng)施加18 N的接觸力時(shí)，Rc接近20 mΩ. 但當(dāng)開始滑動(dòng)并經(jīng)過4個(gè)循環(huán)后，Rc急劇下降至4.2 mΩ. 摩擦系數(shù)與Rc在200~700周期之間有較好的相關(guān)性. 在激光共聚焦顯微鏡下發(fā)現(xiàn)模擬射頻導(dǎo)體的平板磨損嚴(yán)重. 在ITER應(yīng)用條件下，316L對(duì)CuCrZr的耐磨性較差. 由于射頻導(dǎo)體體積大以及可維護(hù)性低，316L不適合直接作為觸點(diǎn)材料應(yīng)用于CuCrZr射頻觸點(diǎn)柵格上.

Fig. 9 Picture of the RF contacts before and after failure[35]圖9 射頻觸點(diǎn)故障前后的圖片[35]

Fig. 10 Evolution of the Rc and friction coefficient under the 2 000 cycles of sliding tests[34]圖10 2 000個(gè)循環(huán)下接觸電阻與摩擦系數(shù)的演變規(guī)律[34]

銀是1種廣泛使用的接觸材料，因?yàn)槠渚哂兴薪饘僦凶罡叩碾妼?dǎo)率和導(dǎo)熱性(電阻率為1.67 μΩ·cm)，并且具有抗氧化性. 電鍍銀是1種適用于溫度低于160 ℃的涂層，其具有良好的微動(dòng)性能和優(yōu)良的電性能的涂層.在100 ℃以上的溫度下，再結(jié)晶使硬度降低到90 HV10以下，引起磨損和材料遷移. 電觸點(diǎn)上的鍍層厚度通常可達(dá)幾十微米，可承受非常大的法向力(10~100 N).由于這些原因，銀涂層(>10 μm)被選為射頻接觸柵格的功能涂層.

在所有柵格表面添加諸如Ag涂層等低電阻率功能涂層，能減少銅合金柵格的氧化腐蝕，并降低因歐姆損耗而產(chǎn)生的熱損失. Hillairet等[35]對(duì)CuCrZr-Ag進(jìn)行了對(duì)摩滑動(dòng)試驗(yàn)，負(fù)載與觸點(diǎn)累計(jì)移動(dòng)距離間的關(guān)系如圖11所示. 可以看出，在1 m的累計(jì)距離上(對(duì)應(yīng)于前200~300個(gè)循環(huán))，負(fù)載呈先增加后急劇減少；在1 m (> 300循環(huán))后，負(fù)載幾乎是恒定的(在250 N的數(shù)量級(jí)上). 5 000次循環(huán)后，打開試驗(yàn)臺(tái)觀察到觸點(diǎn)的Ag涂層被完全去除，CuCrZr環(huán)上有清晰的劃痕. 位于柵格頂部的涂層僅能支撐百次以上的滑動(dòng)循環(huán)，這可能受到天線預(yù)期滑動(dòng)循環(huán)次數(shù)的挑戰(zhàn). 然而，由于大多數(shù)柵格涂層在滑動(dòng)過程中沒有損壞，減少熱損失仍然是重要的. 此外，Ag涂層可保護(hù)CuCrZr基底不受腐蝕，剩下的問題是柵格頂端Ag涂層去除和環(huán)表面產(chǎn)生的劃痕對(duì)射頻性能的影響. 為了提高柵格涂料的使用壽命，可以研究提高硬度的Ag或合金涂層Chen等[36]通過自主研發(fā)的多功能電接觸性能測試平臺(tái)，模擬ITER真實(shí)運(yùn)行環(huán)境進(jìn)行測試，對(duì)電鍍沉積的Ag、Au-Ni和Rh鍍層開展了電接觸特性與摩擦學(xué)特性的研究. 將CuCrZr/316L(均無鍍層)為試驗(yàn)對(duì)照組. 模擬ITER真空烘烤條件，開展上述鍍件在250 ℃、500 h的真空烘烤試驗(yàn). 首先，在多功能電測試平臺(tái)上模擬ITER真實(shí)的運(yùn)行環(huán)境研究摩擦副接觸電阻的變化規(guī)律以確定最優(yōu)接觸壓力. 在此基礎(chǔ)上進(jìn)行滑動(dòng)摩擦測試，研究Rc與摩擦系數(shù)的動(dòng)態(tài)變化以分析電接觸涂層的耐磨能力. 最后，觀察磨痕計(jì)算磨損率，以評(píng)價(jià)材料的耐磨性能.

Fig. 11 Average sliding load versus the equivalent distance revealed by contact band[35]圖11 平均滑動(dòng)載荷與觸點(diǎn)移動(dòng)距離間的關(guān)系[35]

CuCrZr+Au-Ni/316L+Rh 與 CuCrZr+Ag/316L+Rh這2種組合的測試結(jié)果如圖12所示. CuCrZr+Au-Ni/316L+Rh的測試結(jié)構(gòu)顯示，Au-Ni鍍層從滑動(dòng)試驗(yàn)開始摩擦系數(shù)呈逐漸上升的趨勢，并在200周期時(shí)出現(xiàn)最大值. Rh鍍層的存在使接觸電阻維持較低的水平，其耐磨壽命與保護(hù)作用得到驗(yàn)證. CuCrZr+Ag/316L+Rh的測試結(jié)果顯示，初期由于Ag與Rh擴(kuò)散形成冷焊的原因?qū)е履Σ料禂?shù)較高. 烘烤后的Ag膜較軟且由于其低剪切的性質(zhì)，所以具有一定的潤滑性，使摩擦發(fā)生在Ag層內(nèi)，反而使Rh得到保護(hù)，因此，相比于Au-Ni合金鍍層，其磨損率更小. Josseaume等[32]的研究也表明軟金屬Ag鍍層由于其低剪切的特性從而具備的自潤滑性使其在同等的條件下與其他鍍層相比具有更低的磨損率. 綜合考慮，CuCrZr+Ag/316L+Rh是未來ITER微波滑動(dòng)電接觸材料的最優(yōu)選擇.

Fig. 12 Evolution of the Rc and friction coefficient of (a) CuCrZr+Au-Ni/316L+Rh and (b) CuCrZr+Ag/316L+Rh under the 2 000 cycles of sliding tests[36]圖12 2 000個(gè)循環(huán)下Rc與摩擦系數(shù)的瞬態(tài)結(jié)果：(a) CuCrZr+Au-Ni/316L+Rh；(b) CuCrZr+Ag/316L+Rh[36]

在電子工業(yè)中，為了保證滑動(dòng)接觸的穩(wěn)定性和低接觸電阻，Au涂層通常也被用作接觸材料. 金是1種具有高導(dǎo)電性的金屬，在大多數(shù)工作條件下都表現(xiàn)出優(yōu)異的耐蝕性. 然而Au涂層的硬度較低，導(dǎo)致其耐磨性較低，限制了其在涉及高摩擦磨損運(yùn)動(dòng)時(shí)的使用壽命.在Au涂層中摻雜納米顆粒是增強(qiáng)其機(jī)械和化學(xué)性能的1種方法. Chen等[37]利用磁控濺射技術(shù)將Au與Ni結(jié)合增強(qiáng)其硬度，并與C潤滑劑復(fù)合制備了低殘余應(yīng)力的Au-Ni/C納米復(fù)合鍍層. 由于許多滑動(dòng)接觸點(diǎn)除了在大氣環(huán)境中應(yīng)用外，還在高真空等特殊條件下應(yīng)用.因此為了評(píng)估所開發(fā)的復(fù)合鍍層作為電氣/摩擦學(xué)功能涂層的可行性，在常壓和高真空(10-3Pa)條件下進(jìn)行了摩擦學(xué)測試，結(jié)果如圖13所示. 在常壓條件下，Au-Ni涂層摩擦系數(shù)波動(dòng)較大，峰值約為0.3. 隨含C含量的增加，摩擦系數(shù)有小幅下降的趨勢，耐磨性變得更高. 在高真空條件下，由于C的潤滑效率較低，使得涂層的摩擦系數(shù)比大氣中提高了2倍以上. 在這種情況下，潤滑不是決定磨損率的主要因素，涂層硬度、殘余應(yīng)力和韌性對(duì)磨損率的綜合影響更為重要.

Fig. 13 The friction coefficient and wear rate of the film deposited in (a, b) atmospheric environment and(c, d) high vacuum environment [37]圖13 (a, b)常壓環(huán)境和(c, d)高真空環(huán)境下沉積薄膜的摩擦系數(shù)與磨損率[37]

隨后，Chen等[38]通過電沉積在Au-Co基體中復(fù)合WS2納米顆粒，研究并比較了不同含量WS2復(fù)合涂層的摩擦學(xué)性能. 不同涂層樣品在6.3 cm/s線速度和2 N載荷的條件下進(jìn)行了8 000次旋轉(zhuǎn)滑動(dòng)試驗(yàn)，試驗(yàn)后涂層的磨痕輪廓與磨損率測試結(jié)果如圖14所示. 在Au-Co電解液中加入分散劑后，Au-Co涂層的潤滑性能明顯降低，表現(xiàn)為磨痕深度從2 μm增加到4 μm，磨損率從2.3×10-5mm3/(N·m)增加到3.5×10-5mm3/(N·m).當(dāng)WS2與Au-Co涂層復(fù)合時(shí)，有效降低了涂層的磨痕深度與磨損率. 含8 g/L WS2的電解液沉積的Au-Co/WS2復(fù)合涂層的磨損率為8×10-6mm3/(N·m)，僅為Au-Co涂層磨損率的1/3.

Fig. 14 (a) 2-D profiles of wear tracks and (b) wear rates of different coatings[38]圖14 不同涂層的(a)磨痕輪廓和(b)磨損率[38]

2 遠(yuǎn)程操作系統(tǒng)組件中的潤滑

系統(tǒng)的高效長時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)是商業(yè)反應(yīng)堆成功的關(guān)鍵因素. 聚變堆中第1壁、包層、分流器和限制器等組件承受由聚變反應(yīng)產(chǎn)生的高密度等離子體流和高能中子轟擊，被輻照后具有放射性，使得其難以通過人工的方式來維護(hù)和更換. 聚變堆系統(tǒng)將使用大量的遠(yuǎn)程操作模塊來保證系統(tǒng)運(yùn)行過程中重要的部件受損時(shí)在不破壞真空環(huán)境的條件下進(jìn)行更換，以保證系統(tǒng)繼續(xù)運(yùn)行而提高運(yùn)行效率[39-41]. 遠(yuǎn)程維護(hù)托卡馬克的可行性已經(jīng)成功地在JET(歐洲聯(lián)合環(huán)狀反應(yīng)堆)和EAST(東方超環(huán))等裝置中得到了證明.

Izard等[42]設(shè)計(jì)了1種適用于高溫、超高真空和高輻射的遠(yuǎn)程檢測設(shè)備. 設(shè)備首選材料為鈦合金(TA-6V)，其次為鎂合金. 在反向磁場中，鐵磁材料會(huì)受到非常大的力，在計(jì)算動(dòng)、靜載荷時(shí)，要考慮到這種情況. 在解析器中，考慮到其常規(guī)的尺寸，磁場中所受到的力是相當(dāng)小的，但可能會(huì)在軸承上產(chǎn)生很高的摩擦力，所以需要考慮潤滑的問題.

如圖15所示，鉸鏈?zhǔn)綑z查臂(AIA)是1個(gè)與ITER相關(guān)的遠(yuǎn)程檢測機(jī)器人范例，用于在Tore Supra (法國的托卡馬克)上執(zhí)行近距離的檢查任務(wù). 所有電子系統(tǒng)都嵌入在AIA的每個(gè)模塊中. 當(dāng)機(jī)械結(jié)構(gòu)處于真空狀態(tài)時(shí)，這些嵌入部件在大氣壓力下被封閉在密閉的空間里. 此外，在烘烤階段設(shè)備處于200 ℃的溫度下，在托卡馬克容器內(nèi)部署和操作時(shí)溫度為120 ℃，旨在證明惡劣的操作條件下(10-6Pa的超高真空，120 ℃的操作溫度和200 ℃的靜態(tài)溫度)使用遠(yuǎn)程設(shè)備的可行性，其外殼采用高溫潤滑劑，外部機(jī)構(gòu)涂有特氟龍(聚四氟乙烯)涂層.

Fig. 15 AIA robot inspection into Tore Supra[42]圖15 進(jìn)入Tore Supra檢查的AIA機(jī)械手 [42]

2.1 EAST維修部署系統(tǒng)

EAST是1種非圓形先進(jìn)穩(wěn)態(tài)等離子體試驗(yàn)裝置，針對(duì)等離子體運(yùn)行的長脈沖、高模和分流器結(jié)構(gòu)，為ITER和CFETR(中國聚變工程試驗(yàn)反應(yīng)堆)提供了許多有價(jià)值的數(shù)據(jù). 然而，真空室中的等離子體面向組件(PFCs)在試驗(yàn)過程中容易損壞，對(duì)物理試驗(yàn)產(chǎn)生很大的影響，甚至停止試驗(yàn)活動(dòng)[43]. 遠(yuǎn)程操作技術(shù)已被認(rèn)為是EAST托卡馬克和未來聚變反應(yīng)堆中容器維護(hù)的有效解決方案. 中國科學(xué)院等離子體所(ASIPP)和法國原子能委員會(huì)磁聚變研究所(CEA-IRFM)共同開發(fā)了EAST多用途維護(hù)部署系統(tǒng)(EMMD)，如圖16和圖17所示[44]. EMMD的主要部分是具有7個(gè)自由度的鉸鏈?zhǔn)綑C(jī)器人手臂，其提供末端執(zhí)行器的運(yùn)輸和定位.在1組末端執(zhí)行器中，夾持器是具有3個(gè)自由度的機(jī)械手(EAMA)，用來檢查和處理EAST室內(nèi)的小碎片，如圖18所示. 在雙指爪和旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)之間安裝有扭矩傳感器進(jìn)行力反饋. 由于該機(jī)器人有約9 m長的萬能臂，靈活性大但定位精度有限. 視覺系統(tǒng)安裝在抓手上，由密封盒中的2個(gè)攝像頭和LED燈組成，能夠完成艙內(nèi)檢測和目標(biāo)跟蹤.

Fig. 16 Damaged PFCs after plasma: (a) tile missing,(b) crack, (c) fissure and (d) bolt missing[45]圖16 離子體后受損的PFCs：(a)第一壁瓦缺失；(b)裂縫；(c)開裂；(d)螺栓缺失[45]

Fig. 17 EMMD arm deployed in EAST vacuum vessel[45]圖17 部署在EAST真空室中的EMMD遙操臂[45]

Fig. 18 In-vessel grasping proces[44]圖18 在艙室中的抓取過程[44]

為優(yōu)化EAMA機(jī)器人中復(fù)雜的拉索傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，Pan等[45]設(shè)計(jì)了1種不需要與俯仰關(guān)節(jié)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)耦合的新型偏航關(guān)節(jié). 關(guān)節(jié)中包括電機(jī)、嵌入式控制器、傳感器和諧波減速器. 利用諧波減速器的高性能特性，在執(zhí)行機(jī)構(gòu)集成了2種不同尺寸的減速器，進(jìn)行了機(jī)械性能的改進(jìn)，包括零回隙、高扭矩、緊湊的尺寸、卓越的位置精度和重復(fù)性，這對(duì)于長臂機(jī)器人來說至關(guān)重要.

在EAMA部件中，對(duì)于所有需要潤滑的高速部件(電機(jī)、齒輪以及減速器等)，其都用金屬波紋管和氟橡膠環(huán)密封，以避免污染真空環(huán)境. 在這種情況下可以使用高溫潤滑脂. 同時(shí)，一些由于運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)而難以密封的低速部件(關(guān)節(jié)軸承)，考慮采用涂層作為固體潤滑.中國科學(xué)院等離子體所與蘭州化學(xué)物理研究所合作，對(duì)遙操臂關(guān)節(jié)軸承、傳動(dòng)齒輪以及止推軸承等零部件采用MoS2基復(fù)合薄膜處理，通過將TiC納米晶以及DLC無定形結(jié)構(gòu)引入MoS2基體，實(shí)現(xiàn)了復(fù)合薄膜高硬度、低摩擦以及真空-大氣交變環(huán)境下潤滑環(huán)境自適應(yīng)性[45].如圖19(a)所示，當(dāng)MoS2與Ti和C復(fù)合時(shí)，MoS2(100)非潤滑表面的擇優(yōu)生長幾乎被完全抑制. MoS2+Ti+C薄膜的晶粒尺寸遠(yuǎn)小于純MoS2薄膜和MoS2+Ti薄膜.薄膜的晶粒尺寸越小，越有利于提高薄膜的硬度，從而提高薄膜的容量. 圖19(b)所示為所選的復(fù)合材料(MoS2+Ti+C)在不同條件下的摩擦系數(shù)和壽命的測試結(jié)果，復(fù)合膜在高真空環(huán)境下摩擦系數(shù)較低(小于0.05).

Fig. 19 (a) XRD patterns of the pure sample (MoS2) and mixing composition (MoS2+Ti and MoS2+Ti+C); (b) the friction coefficient of the composite coatings (MoS2+Ti+C) in different conditions[45]圖19 (a)純MoS2和復(fù)合涂層(MoS2+Ti和MoS2+Ti+C)的XRD圖譜；(b)不同條件下復(fù)合涂層(MoS2+Ti+C)的摩擦系數(shù)[45]

同樣地，為了尋找1種適用于高溫和真空條件的涂層并驗(yàn)證其性能，Shi等[46]將1種常見的固體潤滑薄膜材料MoS2與不同的化學(xué)成分結(jié)合，在類似的條件下進(jìn)行了測試，結(jié)果如圖20所示. 涂敷MoS2+Ti+C薄膜的試樣具有較好的穩(wěn)定的摩擦系數(shù)(< 0.5)，使用壽命超過30萬次，足夠在設(shè)備中使用. 該技術(shù)至今在EAST中穩(wěn)定運(yùn)行，是固體潤滑材料第1次應(yīng)用在Tokamak遙操領(lǐng)域[46-48].

Fig. 20 Lubrication performance and lifetime testing of different MoS2-base coating[46]圖20 不同MoS2基涂層的潤滑性能及壽命測試[46]

2.2 ITER包層遠(yuǎn)程處理系統(tǒng)

ITER包層分為440個(gè)模塊(每個(gè)極向場由多達(dá)18個(gè)模塊組成)，其最大尺寸為1.45 m×1.00 m×0.45 m，最大重量為4.5 t. 每個(gè)包層模塊(BMs)都可從龐大的第1壁屏蔽面板上拆卸下來. 為了最大限度地提高維護(hù)的靈活性，允許更換單個(gè)第1壁面板，并在需要時(shí)更換底層的屏蔽塊. 包層遠(yuǎn)程處理系統(tǒng)(BRHS)被設(shè)計(jì)用來完成這項(xiàng)工作，且必須滿足在2年能夠內(nèi)更換440個(gè)BMs.BRHS是1個(gè)處于屏蔽系統(tǒng)內(nèi)的可自行展開的單軌系統(tǒng). 圖21所示為BRHS的概念圖，該BRHS由機(jī)器人機(jī)械手、軌道支撐設(shè)備和電纜搬運(yùn)設(shè)備組成，沿著安裝在真空室中的軌道運(yùn)行，能夠觸及、解鎖和取下第1壁面板/屏蔽塊. BRHS將在高輻射環(huán)境(最高250 Gy/h)中運(yùn)行，可穩(wěn)定地處理重4.5 t、長度超過1.5 m的包層模塊(BMs)，具有高度的位置和形態(tài)準(zhǔn)確性[49-50].

Fig. 21 ITER blanket remote handling system[49]圖21 ITER包層遠(yuǎn)程處理系統(tǒng)[49]

在真空室中運(yùn)行時(shí)，BRHS組件的輻照硬度要求定義為1 MGy的總劑量. Saito等[51]對(duì)BRHS部件進(jìn)行了失效模式和影響分析(FMEA). 其結(jié)果表明，電源和信號(hào)的故障是由于電氣元件絕緣的退化，電機(jī)故障是由于機(jī)械元件潤滑劑的退化. FMEA分析表明，潤滑劑、橡膠和絕緣電纜是影響輻照硬度的主要因素，特別是絕緣體和潤滑劑在輻照后會(huì)發(fā)生降解.

Saito等[51]對(duì)某商用交流伺服電機(jī)進(jìn)行了改進(jìn)，將潤滑劑用商用耐輻照劑量更高的MORESCO GK-1 [聚苯醚(PPE)基潤滑脂]替換，并用聚酰亞胺材料替代電絕緣子，提高了電機(jī)的輻照硬度. 試驗(yàn)制備了6個(gè)樣品電機(jī)(N1~N6)，輻照后的靜摩擦力矩和制動(dòng)力矩如圖22所示. 由于力矩沒有明顯的偏離初始值，潤滑油的分解被認(rèn)為是可以接受的. 輻照5.7 MGy后，N1和N4分別出現(xiàn)了變壓器絕緣失效(耐受電壓和絕緣電阻均為不可接受值)和傳導(dǎo)電阻失效. 故障研究的結(jié)果表明，對(duì)于N1來說，最可能的故障原因是分解器的引線壓入外殼邊緣(很可能是組裝過程中出現(xiàn)的問題)，而對(duì)于N4來說，電機(jī)部分被腐蝕，因此，在輻照8 MGy前，4個(gè)電機(jī)均能正常工作. 將力學(xué)表征與耐壓、絕緣電阻和導(dǎo)通電阻的測試結(jié)果結(jié)合確定了聚酰亞胺絕緣子和MORESCO GK-1潤滑油的輻照硬度，證明了該交流伺服電機(jī)可以在腔內(nèi)維修(最長維修期限)使用2年而無需更換.

Fig. 22 (a) The static friction torque and (b) brake torque after the irradiation[51]圖22 輻照后的(a)靜摩擦力矩和(b)制動(dòng)力矩[51]

3 總結(jié)與展望

聚變堆內(nèi)結(jié)構(gòu)精密且復(fù)雜，服役環(huán)境惡劣，應(yīng)用于聚變堆內(nèi)部的潤滑材料在承受高溫、高真空、高能高通量中子和高密度等離子體輻照、循環(huán)應(yīng)力以及摩擦磨損的同時(shí)，根據(jù)應(yīng)用部件的不同還可能承受著重載、高低溫交變、真空/大氣交變、高電流密度以及伽馬射線照射等環(huán)境. 高能粒子引起服役潤滑材料內(nèi)部生成空位和間隙原子等點(diǎn)缺陷，在溫度場與應(yīng)力場的作用下聚集形成缺陷團(tuán)簇，使材料內(nèi)部產(chǎn)生位錯(cuò)、空洞和非晶態(tài)轉(zhuǎn)變，引起材料脆化和失效等性能退化[52-57]，因此對(duì)相關(guān)服役潤滑材料的性能要求非常嚴(yán)苛. 根據(jù)潤滑材料的應(yīng)用部件，核環(huán)境下的摩擦磨損和潤滑問題大體上可以分為2類：一是結(jié)構(gòu)材料的摩擦磨損；二是遠(yuǎn)程操作部件的潤滑問題.

結(jié)構(gòu)材料是反應(yīng)堆的支撐和主體，在反應(yīng)堆運(yùn)行時(shí)不可避免地存在著摩擦磨損，形成安全隱患. 結(jié)構(gòu)材料面臨的是1種微動(dòng)磨損，且一次性服役時(shí)間、應(yīng)用溫度范圍以及所承受輻照劑量等都要高于遠(yuǎn)程操作部件. 總體結(jié)構(gòu)組件中的活動(dòng)部件多采用過渡金屬二硫化物作為潤滑材料，常用為二硫化鉬薄膜. 其他部件根據(jù)特定應(yīng)用場景采用軟金屬等材料作為潤滑涂層. 根據(jù)核反應(yīng)堆的運(yùn)行情況，結(jié)構(gòu)部件不可能進(jìn)行頻繁的更換，所以其所用潤滑涂層的研究重點(diǎn)應(yīng)盡可能地貼近實(shí)際工況環(huán)境，以此來優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).

核環(huán)境存在放射性劇毒物質(zhì)以及其他活化物質(zhì)，其會(huì)依附于粉塵附著在部件表面及空氣中，所以裝置的檢測維護(hù)過程對(duì)人體存在巨大的傷害[58-60]. 因此，遠(yuǎn)程操作系統(tǒng)對(duì)于核工程來說是不可或缺的一部分. 遠(yuǎn)程操作機(jī)械臂需要探入真空艙室內(nèi)進(jìn)行維護(hù)操作，比如對(duì)破損的部件和偏濾器的拆卸維修和更換以及熱室運(yùn)轉(zhuǎn)維護(hù)等，可提高裝置的運(yùn)轉(zhuǎn)效率. 潤滑涂層大多用于機(jī)械臂的肘關(guān)節(jié)部位，常采用MoS2基復(fù)合薄膜作為潤滑材料，較少使用潤滑油/脂[61-62]. 機(jī)械臂的工作環(huán)境比較苛刻，在承受高能中子轟擊的同時(shí)還要應(yīng)對(duì)高低溫以及真空/大氣等交變環(huán)境，這對(duì)固體潤滑材料的研制提出了很大的挑戰(zhàn). 對(duì)于固體潤滑材料的研究可借鑒在航天系統(tǒng)中成熟潤滑材料的基礎(chǔ)上，與結(jié)構(gòu)材料的耐輻照結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研發(fā)經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合，開發(fā)集優(yōu)良潤滑性能和耐輻照性于一身的固體潤滑涂層[63-64].