中文摘要：

在自润滑孕镶金刚石钻头制造工艺的基础上，主要研究不同固体润滑剂及其含量、粒度、温度对孕镶金刚石钻头胎体材料物理力学性质的影响；研究固体润滑剂在胎体中的分布形态、自润滑复合材料的表界面表征及对其对金刚石包镶强度的影响评价；在低温低压条件下，研究不同载荷、滑动速度对金刚石－固体润滑剂颗粒混杂增强复合材料与玄武岩组成摩擦副时的摩擦系数及其稳定性、磨损率和金刚石磨损形式的影响，采用三维数字图像分析技术定量研究金刚石的出刃与磨损量，结合磨痕形貌、磨屑物相分析，确定混杂增强复合材料的磨损机理；研究自润滑钻头性能与钻压、转速及岩屑排除程度的关系，初步建立用于干钻进条件下的自润滑孕镶金刚石钻头的设计理论。 本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，而且有助于提高用于地质勘探的孕镶金刚石钻头的性能。

结论摘要：

为了开发具有自润滑作用的孕镶金刚石钻头，研制了低温低真空度摩擦磨损试验机，并对固体润滑剂表面金属化工艺、含有固体润滑剂的钻头胎体材料和工作层的摩擦磨损性能进行了研究。通过对比试验，认为滚镀工艺比普通电镀工艺更适于对石墨表面进行金属化，最优工艺为氯化铵含量为5g/L、pH为3、滚镀瓶转速为10r/min。随着石墨含量的不断增加，胎体试样的洛氏硬度和抗弯强度均不断降低分别降低了8.7%和39.3%。随着石墨粒度的细化，胎体试样的洛氏硬度不断升高，抗弯强度反而降低。石墨表面金属化之后，胎体试样的硬度和抗弯强度有所增大，分别升高了3.8%和5.7%。随着胎体中石墨含量的不断增加，摩擦副的摩擦系数不断降低，达44.4%。随着胎体中石墨含量的增加，胎体的磨损量先降低后增加。随着石墨颗粒的细化，复合材料的摩擦系数也在不断降低，复合材料试样的磨损量则有所增加。石墨表面金属化之后，石墨+胎体复合材料的摩擦系数有所升高。在低温低压条件下，随着胎体中石墨含量的不断增加，摩擦副的摩擦系数不断降低，可达29.2%；随着石墨颗粒的细化，胎体材料的摩擦系数也在不断降低。胎体的磨损量随着石墨含量的增加逐渐减小；但当石墨含量超过7%后，胎体的磨损量又开始增加。随着石墨颗粒的细化，胎体材料的磨损量逐渐增加。在常温低压条件下试样的摩擦系数和磨损量均最大，常温常压条件下的次之，低温低压条件下的最小。没有添加石墨的试样，在与岩石对磨的过程中摩擦表面温度急剧升高，胎体材料发生严重塑形变形。添加了10vol%的石墨试样，降低了摩擦副的摩擦系数，控制了摩擦表面温度的上升，胎体塑形变形较小，其磨损形式主要是岩粉中的硬质颗粒对其产生磨粒磨损。随着石墨含量的不断增加，金刚石表面的石墨润滑膜更完整，且润滑膜再生的速度提高，从而降低了金刚石与岩石对磨的几率，提高了金刚石的寿命。随着石墨粒度的细化，试样中的石墨分布更均匀，金刚石表面的石墨润滑膜更完整，因而延长了试样的碎岩时间。为衡量金刚石分布均匀度对复合材料抗弯强度、包镶强度的影响，对金刚石颗粒分布均匀度指标进行了研究。研究认为，以旋转半径法求得的分形维数和Voronoi图的面积变异系数联合表示金刚石分布的均匀度比较合理。此外，为了了解金刚石钻头在钻进过程中钻头唇面与岩石接触界面的温度分布，评估自润滑胎体材料的降温能力，采用ansys有限元软件进行了温度场模拟分析。