新材料,新液压

材料行业是很多其它行业发展的基础和催化剂，对于液压行业来说也不例外。最近小编拜读了哈工大的李松晶老师编写的《先进液压传动技术概论》，觉得很有启发，借用这本书的内容， 小编和大家一起来探讨探讨新材料在液压领域的应用。

书中介绍，目前在液压领域有着广阔应用前景的合成材料及功能材料主要有工程陶瓷材料、压电材料、记忆合金、磁流体及流变流体等^[1]。那么小编就和大家一起来跟着这本书，分4期来探讨一下这些个新材料究竟是如何应用到液压领域的，它们分别有怎样的优缺点,以及如何对液压的未来产生影响。

第一期 工程陶瓷材料在液压技术中的应用

陶瓷英文名china, 听名字就知道是我们中国人的老本行。陶瓷是一个很大的类别，由于材料和烧制温度的不同，使得它的化学成分，物理组成及性能，制造方法等有很大的差别。工程陶瓷是陶瓷的一种，它最主要的特点包括具有一定的通性，比如强度高，热稳定性好，耐腐蚀能力强， 绝缘性能好等等。这和液压系统中对于使用材料的要求基本上是一致的，具体这些个特点可以应用到实际的哪些液压技术和产品中呢?

1）液压缸活塞杆

众所周知， 液压最大的天敌就是污染，液压系统的故障70%以上都是由于污染引起的。液压缸的活塞杆作为常年暴露在恶劣工作环境中的精密要求零件，腐蚀与磨损就更加在所难免了。 如果在液压缸的活塞杆上喷涂工程陶瓷材料，形成一层陶瓷镀层的话，则有助于提高液压缸活塞杆的抗腐蚀、抗磨损能力，从而提高液压缸的工作性能和使用寿命。

目前实际中使用较多的是等离子喷涂和激光涂覆技术。等离子喷涂是将陶瓷固体粉末进行融化，然后雾化后喷到金属零件的表面，等到涂层自然冷却后就成为了固体涂层，这种方法效率高，涂层致密，而且与基体的结合强度高。激光涂覆技术利用大功率激光束聚集能量极高的特点，瞬间将加工工件表面微熔，同时使激光束同步自动送至的合金粉末完全融化，并融覆在被加工零件表面，并通过基体的激冷作用实现快速凝固，从而使得被加工表面产生致密的性能良好覆盖保护涂层。感兴趣的伙伴可以参考ihydrostatics 之前的文章：液压油缸镀铬工艺（链接）来得到更多的活塞杆加工信息。

活塞杆采用陶瓷镀层的液压缸将更适合于在水下海底化学物质中工作,因此可应用于水利机械(船闸、大坝、吊桥等),也可应用于海上石油钻井平台、甲板起升设备等。

(2) 水介质中使用的陶瓷柱塞泵和马达

和油缸里的活塞杆一样，柱塞泵和柱塞马达里的柱塞也有磨损，对油液污染的抵抗能力也比较弱， 因此寿命也有一定的限制 。研究者们曾经尝试使用不锈钢来替代，但是很快发现耐腐蚀性和强度这对矛盾体始终无法合理解决，所以很多研究者就想到了采用陶瓷制作柱塞泵和马达的元器件，来达到减少磨损和提高抗污染能力的目的。后来这种设计被用于长期在海水中工作的柱塞元件。以前的金属材料的元件，在海水等腐蚀性的环境中工作时，很容易就会产生锈蚀，进而导致整个零件损坏。而采用了陶瓷镀层的元件，由于陶瓷本身的耐腐蚀性能，具有了得天独厚的优势。而且水压技术由于具有经济、安全、环保等特点，陶瓷材料对环境也不会造成污染，未来的发展趋势还是比较好的。比如一种在泵的缸体上的柱塞孔内，安装一层陶瓷内衬钢管，从而提高了柱塞和缸体表面的耐磨性和耐腐蚀性。

3） 密封件

目前工业密封中存在着一定的密封性能差，容易腐蚀，寿命短等缺陷。工程密封材料具有熔点高、硬度高、化学稳定性好、耐腐蚀等优点。工程陶瓷材料制作的密封件或垫片主要应用在液压或水压泵和阀等元件的轴密封处,尤其是输送高温介质的流体系统的轴密封处。在轴密封处,要求密封端面既能相对转动,又不使液体泄漏,因此密封材料要具有良好的密封性,摩擦系数要小,不易磨损,而且不与工作介质发生反应。对于高温密封场合,除了上述要求外,还要求密封材料能够耐高温、热膨胀率低。过去高温密封通常采用铜合金或石墨材料,这些高温密封材料存在易磨损、磨损颗粒污染工作介质等缺点。随着液压技术向高速化、高压化及大型化发展,使用环境越来越苛刻,工作介质种类也越来越多,工作温度范围也越来越大,铜合金或石墨做密封材料已不能满足更高的性能要求。如果利用工程陶瓷材料所具有的耐高温、耐磨损、耐腐蚀等特性来制作密封件,则能够更好地发挥密封件的作用,提高液压系统的性能。

4）柱塞泵滑靴、球头和柱塞

与轴向柱塞泵中的柱塞和柱塞缸筒一样,径向柱塞泵中的滑靴、球头和柱塞也是极易磨损的部件,如果在这些部分采用高硬度和耐磨损的工程陶瓷材料,则能够提高柱塞泵的使用寿命。传统的轴向柱塞泵,滑靴和球头通常采用各种钢或合金材料。但对有些要求柱塞泵的转速和功率/重量比大的应用场合,例如航空航天应用中的液压系统,则需要采用密度小的材料。陶瓷材料的密度小于钢的密度,因此可以减小柱塞泵中各零部件的惯性力,从而减小柱塞泵的功率。

(5)其他应用

工程陶瓷材料在液压技术中的应用还包括以下几个方面。

①阀门,在医疗器械或家用器械中;

②泵,例如齿轮泵的壳体,柱塞泵的轴承柱塞以及密封件;

③喷嘴,例如喷嘴挡板伺服阀的喷嘴,射流管伺服阀的射流管等;

④管路,例如输送具有腐蚀性的液体或高温气体等化工行业中。

存在的问题

如果液压元件的各零部件整体采用工程陶瓷材料,则存在加工困难、造价昂贵等问题。工程陶瓷的生产过程和传统陶瓷一样,是把陶瓷粉末压实成型,然后进行烧结,使陶瓷微粒紧密结合在一起的过程。工程陶瓷构件的制造工艺包括原料制备、配合料的混合细碎和预烧坯料的加工和成型,生坯的干燥窖炉烧结等工序,因此原材料质量和烧结过程都会影响陶瓷材料的质量。同时陶瓷制品在烧结过程中体积会收缩变形,因此成型后的构件最终尺寸难以预测,且构件硬度高、脆性大,机械加工困难,加工费用昂贵。脆性失效始终是陶瓷材料的致命弱点,虽然为了克服传统陶瓷材料的脆性失效问题,采取了很多增韧措施,以提高工程陶瓷材料的韧性,但由于陶瓷结合键的本性,使陶瓷材料尚不能达到同金属材料一样的塑韧性和可加工性。因此,采用工程陶瓷材料制作液压元件的整体还存在一定的困难。

在液压元件上采用陶瓷镀层虽然具有抗磨损、抗腐蚀等优点,但陶瓷镀层也存在一些尚待解决的问题,其中最主要的就是陶瓷层与基体的结合强度问题。一系列试验表明,陶瓷涂层的最后破坏均发生在陶瓷与金属的界面上,而不是陶瓷层本身的磨损。例如液压元件和管路中气穴和气蚀现象发生时,很容易导致陶瓷镀层从基体上成片脱落。因此应充分认识陶瓷与基体界面结合层的性质,以寻求更好的方法提高其结合强度。但由于陶瓷镀层和基体界面是亚微米以下的极薄的一层物质,而且组成复杂,要对该界面认识清楚还需要进一步的努力,只有对镀层的力学性质、镀层宏观性质与微观结构的关系做更全面的了解,进行大量的实验研究,才能使这一应用得到更进一步的完善。

参考资料：

[1] 李松晶，阮健，弓永军等. 先进液压传动技术概论 .哈尔滨工业大学出版社，2008年3月.