人类对太空资源的开发已经日渐被提上日程,如何在太空中长期高效率的钻进是太空资源开发首先要解决的问题。长期的地球钻探实践表明,金刚石钻进是一种快速有效的钻进方法,然而在太空中无法找到合适的液体作为冲洗介质,钻进过程中必然产生大量的摩擦热造成金刚石热损伤。针对该问题,本文提出了自润滑孕镶金刚石钻头的设想,即在钻头胎体中添加固体润滑剂,使其在钻进岩石的过程中降低摩擦系数,减少摩擦热的产生,从而降低金刚石的热损伤。考虑到月球和火星表面的温度压力特征及玄武岩在月球和火星上分布的广泛性,本课题主要研究在低温低压条件下含固体润滑剂的金刚石钻头胎体材料在干钻进玄武岩过程中的摩擦磨损特性及机理,并初步建立自润滑孕镶金刚石钻头的设计理论。课题的研究不仅可为月球勘探、火星勘探等太空开发计划中的金刚石钻进工艺作技术准备,而且有助于提高地质勘探中孕镶金刚石钻头的使用性能,提高我国自产的丰富的中低档金刚石的应用范围和利用率,减少对进口高档金刚石的依赖。本文为了设计自润滑孕镶金刚石钻头胎体的配方,首先根据自润滑孕镶金刚石钻头的制作工艺以及低温低压(真空)的使用环境条件选取合适的固体润滑剂。综合比较各类固体润滑剂性能,石墨是一种比较理想和普遍的固体润滑剂材料,在热压烧结过程中不会氧化,也不会与胎体材料发生反应。另外,MoS：的摩擦系数在真空中与空气中没有多大差别,甚至更小一些,且不需要气体和水蒸气来保持润滑,所以特别适宜于宇航应用。因此,本文选择石墨和二硫化钼两种润滑剂,并且针对其不同的性能,采用热压法制造石墨复合胎体材料,而为了避免二硫化铝在高温烧结时丧失其润滑性则采用复合电镀法制造二硫化钼复合胎体材料。本文在基于前人关于固体润滑剂增强胎体复合材料的研究基础之上,进行石墨/MoS2自润滑孕镶金刚石钻头胎体材料与岩石对磨时的干摩擦学性能研究,主要研究内容包括四个方面：(1)低温低压(真空)摩擦磨损试验机的研制；(2)石墨固体润滑剂对钻头胎体物理力学性能的影响；(3)石墨对钻头胎体在常温常压和低温低压条件下摩擦学性能的影响及其机理研究；(4)MoS2/Ni复合镀层的摩擦性能及其磨损机理研究。下面将阐述具体研究内容与成果。为了模拟太空钻探环境,开展低温低压(真空)条件下的摩擦磨损试验,并且由于市场上没有合适的摩擦磨损试验机可供购买,本课题组通过对市面现有摩擦磨损试验机类型与结构进行调研,并结合火星表面低温低压具体条件(600Pa,-5℃),进行了低温低压(真空)摩擦磨损试验机的开发研制。所研制的低温低压(真空)摩擦磨损试验机由真空腔室、机台总成、控制柜和工业计算机四大部分组成,以液压为动力(回转,给进),由计算机采集摩擦系数、温度、扭矩等参数,人机交互界面友好。可在低温、真空条件下对扭矩(摩擦系数)、试块温度进行实时检测,并可实时显示、输出检测结果。试验机主要技术参数：(1)上位驱动液压马达转速200-900r/min(无极调速)；(2)钻压范围0-5MPa(无极调速)；(3)试验腔环境温度：常温～-20℃；(4)试验腔环境压力≥600Pa；(5)钻进行程200mm；(6)摩擦阻力及检测精度：0～100kg±1.5。采用热压烧结的方法制备石墨+胎体复合材料试样,本试验选用的烧结工艺为：烧结温度945℃,成型压力15MPa,保温时间3mmin。采用单因素试验方法研究了石墨含量和粒度对胎体材料的物理力学性能(硬度、抗弯强度)的影响,石墨含量包括：0、2.5%、5%、7.5%和10%(体积浓度),粒度包括：40/60目、60/80目、80/100目和100/120目,抗弯强度测试采用三点弯曲法,硬度测试为HRB洛氏硬度。试验结果发现：随着胎体中石墨含量的增加,胎体的硬度以及抗弯强度均有所降低,分别降低了8.7%和39.3%；而随着胎体中石墨粒度的细化,胎体的孔隙率升高,胎体的硬度有所升高,抗弯强度有所降低。石墨在胎体中属于软质相,且和胎体结合不牢,对胎体有产生孔隙和引起裂纹的作用,石墨含量的增加相当于增加了胎体中的孔隙,因而使其抗弯强度和硬度降低。硬度反应了胎体抵抗局部塑性变形的能力,压痕范围内石墨颗粒越大,压痕深度就会越大,所测得的洛氏硬度值也就会越低；而当石墨含量一定时,粒度越小其颗粒数日就越多,引入的裂纹和孔隙也就越多,胎体试样承受外载荷的受力面积就越小,抗弯强度也就会越低。在常温常压条件下进行了摩擦磨损试验,研究石墨润滑剂在胎体中的含量、粒度对胎体与j岩石对磨时的摩擦系数、磨损量的影响,并使用环境扫描电子显微镜对胎体材料的摩擦表面进行形貌分析,研究其磨损机理。由于难以购买到合适的幺武岩,本文中选用与玄武岩性质相近的花岗岩作为试样的对磨件。常温常压下磨损试验结果表明：石墨在摩擦磨损过程中受到热应力以及机械应力的作用涂覆在岩石表面形成润滑膜,降低摩擦副的摩擦系数,润滑膜工作一段时间后在摩擦表面复杂应力的作用下发生疲劳损坏,胎体继续磨损,又在岩石表面形成新的润滑膜；随着胎体中石墨含量的增加,岩石表面的润滑膜更加完整,且润滑膜再生的速度提高,因而摩擦系数不断降低,但是石墨含量的增加增大了胎体孔隙率,降低了胎体与岩石的有效接触面积,增大了压强,因而随着石墨含量的增加,胎体的磨损量先减小后增大；随着胎体中石墨粒度的细化,摩擦副的摩擦系数降低,但是胎体的孔隙率升高,减小了胎体与岩石的有效接触面积,增大了压强,因而增大了胎体的磨损量。石墨的添加降低了摩擦表面的温度,减少了胎体的塑性变形。在低温低压条件下进行了石墨+胎体复合材料的摩擦磨损试验,研究石墨含量、粒度对胎体材料的摩擦学行为及机理的影响,并且对比分析了环境条件对石墨润滑剂增强胎体复合材料的摩擦磨损性能的影响。试验结果表明,在低温低压条件下,石墨含量、粒度对胎体磨损性能的影响规律基本上上与常温常压条件下一致,即：随着石墨含量的增加摩擦系数降低,磨损量先减少,但当石墨含量超过一定值后磨损量开始上升；随着石墨粒度变细,摩擦系数降低,磨损量增加；添加石墨改变了胎体的麿损机理,由粘着磨损逐渐转变为磨粒磨损为主导。在常温低压条件下,由于在真空条件下、而环境温度相对较高时,磨损腔室内无空气介质散热,磨损端面的热无法扩散,使磨损端面温度迅速升高而导致烧样；磨损过程中摩擦系数急剧抖动,平均摩擦系数与磨损量较大,试样发生严重粘着磨损。相较于常温常压条件,胎体在低温低压环境下进行磨损试验时,没有空气介质,则能避免摩擦副表面的氧化反应,从而相应降低摩擦系数和磨损量。采用复合电镀法制备了MoS2/Ni自润滑复合镀层材料试样,采用单因素试验方法研究了复合电镀工艺、镀液中MoS2的加入量对复合镀层硬度的影响。本文选择镀液中MoS2含量、镀液PH值和阴极电流密度三个参数作为试验因子,MoS2含量实验范围为0～0.6g/l,PH值范围为2.0～4.5,阴极电流密度范围为1.0～3.5A/dm2。试验结果表明：随着二硫化钼含量的增加,胎体材料的显微硬度不断降低,二硫化钼的添加使胎体材料的显微硬度下降,一定程度降低了胎体材料的力学性能；不同电镀工艺下所获得的MoS2/Ni复合镀层的显微硬度不同,这是电镀工艺对二硫化铝在镀层中含量的影响和对镀层性质影响的共同作用的结果；随着镀液中PH值的增加,胎体硬度不断减小；随着阴极电流密度的增大,镀层硬度先迅速减小后逐渐增大,并趋于稳定,在电流密度为2.5A/dm2有最小值。进行了低温低压条件下MoS2/Ni复合镀层的摩擦学性能(摩擦系数、磨损率)研究,并对比分析环境条件对MoS2/Ni复合镀层摩擦磨损性能的影响。研究结果表明,在低温低压条件下,二硫化钼在胎体材料中起到了润滑减摩的作用,表现了良好的自润滑性。未添加二硫化铝的试样有着较高的摩擦系数和磨损量,磨损严重,随着二硫化钼含量的不断增加,摩擦副的摩擦系数和胎体材料的磨损量不断减小。电镀工艺对胎体材料的摩擦性能也有一定程度的影响,随着阴极电流密度的增大,摩擦副的摩擦系数先减小后增大,摩擦系数在电流密度为2.5A/dm2时出现最小值0.539,而胎体材料的磨损量随之不断减少,可以改善胎体的耐磨性。)通过常温常压与低温低压的试验比较,在低温低压下表现为更大的摩擦系数和磨损量,对钻头胎体材料的损耗更大。在低温低压下二硫化钼仍然保持良好的自润滑性,提高胎体的耐磨性,但同时二硫化钼对钻头胎体材料摩擦磨损性能的影响趋势并不受低温低压环境的太大影响。磨损形貌分析表明在低温低压条件下,磨损表面的磨痕更深,并有严重的塑性变形和片状剥落,磨损形式主要表现为疲劳磨损及粘着磨损,常温常压以磨粒磨损为主。总的来说,本文通过大量试验和理论分析,研究了石墨含量、粒度对钻头胎体力学性能的影响,探讨了石墨+胎体复合材料在低温低压条件下的摩擦学行为,分析了MoS2对镀层硬度、磨损性能的影响,也就石墨和MoS2两种固体润滑剂对胎体材料的磨损性能影响及作用机理进行了一定程度的揭示,但在石墨和MoS2对金刚石钻头性能的影响与作用方面还有待于进一步的深入研究。