具有发光摩擦预警功能的稀土渗层及其光激发机制的研究

The security of spatial mechanical systems has been a critical problem in the application of high speed space vehicles. It is important to aim at the smart tribological coating system with optical sensing which is able to monitor the real-time friction. Some trivalent rare-earth elements, which can emit luminescence under the condition of laser excitation, are able to generate induced photoemission..In this research project, we aim to use trivalent rare-earth element as luminescence source and to establish the friction warning coating system. The warning system is set up theoretical calculation, optimal elements and content distribution of fluorescent rare-earth elements will be predicted and the relation model about content of fluorescent elements, depth of layer and luminescence intensity will be established.In the system, luminescence rare-earth elements are gradually distributed in the hard alloying layer by the Arc-Glow Plasma Surface Alloying Technique. By real-time monitoring the change of the fluorescent intensity during the wear condition, the wear extent and sensing can be judged. In the process of wear, the law of temperature and stress influence on luminescence character and mechanisms will be studied. Further more, we can obtain the early-warning signal before wear failure accurately which is one of base study of intelligent monitoring in space worn parts.

空间机械系统的安全性已成为空间高速飞行器应用亟待解决的关键问题，迫切需要建立一种能实时监测摩擦状况的具有光传感功能的智能化摩擦涂层。一些三价稀土元素能在激光光谱的激发下发出较强的光谱，具有发光感应特性。 .本课题以三价稀土元素为发光体，通过理论计算，预测发光渗层中稀土元素及其最佳含量分布，建立发光体含量、渗层深度以及发光强度之间的关系模型；采用加弧辉光等离子表面合金化技术实现发光稀土元素成分在硬质渗层中的梯度分布，通过摩擦过程中实时检测发光强度的变化，判断磨损程度并感知摩擦状况，从而建立摩擦预警渗层体系。研究摩擦过程中温度、应力等因素对发光特性的影响规律，阐述摩擦过程中的发光机制，进而准确获得摩擦失效时的预警信号，为今后空间磨损部件的智能化监控提供研究基础。

空间机械系统的安全性制约了空间高速飞行器的发展和广泛应用。本项目针对空间磨损部件的智能化监控进行了试验研究和理论分析。成功地设计了一套利用摩擦过程中光致发光现象对摩擦失效时光信号强度的变化进行准确有效监控的摩擦系统。该系统改建完善了原有的在摩擦过程中光信号接收时由于磨削等残留物会对反射光谱产生影响，通过对摩擦系统中试样上方通有保护气流进行消除，以提高磨损过程中对发光信号的准确接收。除了在对该摩擦系统特性的研究，通过利用第一性原理计算，预测了稀土铒在氧化锆中的最佳含量分布，并通过试验成功地完成了利用加弧辉光等离子表面合金化技术对稀土铒与金属锆元素在氧环境下的共渗研究，成功地获得了梯度分布硬质渗层。含Er3+的ZrO2渗层的摩擦学试验发现，经稀土离子掺杂后的摩擦系数由原来的0.4减少至0.15，且耐磨性获得大幅度提高，光致摩擦发光信号显示绿光。研究过程中还发现以缺陷发光为主的氧化锌具有较好的发光特性，因此，在该项目中同时对不含稀土元素的氧化物涂层进行了光致摩擦发光信号的检测，研究发现，氧化锌涂层不仅耐磨性能有所提高，而且实现了不同磨损阶段的发光特性的转变，存在不同波段的波长，但均在较宽的可见光区，发现在不同的磨损阶段随着氧化物含量的变化，由较强的绿光向红光的转变，此结果有助于信号的辨别。除此之外，研究还发现，氧化物发光材料在摩擦过程中存在渗层材料与基体之间的相互渗透，是干扰并影响发光特性的主要原因之一。