孫曉軍，劉維民

（中國科學(xué)院 蘭州化學(xué)物理研究所 固體潤(rùn)滑國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州 730000）

0 前言

我國航天事業(yè)將“啟動(dòng)并繼續(xù)實(shí)施載人航天、月球探測(cè)、高分辨率對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)、新一代運(yùn)載火箭等重大航天科技工程，以及一批重點(diǎn)領(lǐng)域的優(yōu)先項(xiàng)目，加強(qiáng)基礎(chǔ)研究，超前部署和發(fā)展航天領(lǐng)域的若干前沿技術(shù)，加快航天科技的進(jìn)步和創(chuàng)新”[1]。這一規(guī)劃的實(shí)施對(duì)空間潤(rùn)滑系統(tǒng)的可靠性提出了更高的要求，同時(shí)為發(fā)展新型空間潤(rùn)滑材料提供了寶貴的機(jī)遇[2]。航天器飛行軌道的主要空間環(huán)境特征可以概括為超高真空、高低溫和強(qiáng)輻照等[3]，這些嚴(yán)酷的環(huán)境因素將對(duì)空間潤(rùn)滑材料的可靠性構(gòu)成嚴(yán)重威脅[4]，已經(jīng)成為國際空間潤(rùn)滑材料與技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一[5-8]。然而受到試驗(yàn)條件的制約，我國在該領(lǐng)域的研究相對(duì)滯后，使得現(xiàn)有的空間潤(rùn)滑材料難以滿足長(zhǎng)壽命、高可靠和耐環(huán)境等性能的要求。因此盡早創(chuàng)建必需的試驗(yàn)條件，開展材料的空間環(huán)境摩擦行為研究勢(shì)在必行。根據(jù)我國摩擦學(xué)研究的發(fā)展趨勢(shì)，以及空間潤(rùn)滑材料與技術(shù)研究的實(shí)際需求[9-11]，本文作者提出了試驗(yàn)裝置的研制方案[12]，研制出基于本方案的能模擬多種空間環(huán)境的摩擦試驗(yàn)系統(tǒng)，開展了材料的空間環(huán)境摩擦性能試驗(yàn)。本文將簡(jiǎn)要介紹該試驗(yàn)系統(tǒng)的功能和幾種固體材料的初步試驗(yàn)結(jié)果。

1 試驗(yàn)裝置簡(jiǎn)介

空間摩擦試驗(yàn)裝置應(yīng)具有在模擬超高真空、高低溫和強(qiáng)輻照等環(huán)境下進(jìn)行摩擦試驗(yàn)的功能。綜合考慮研究目標(biāo)要求與國內(nèi)現(xiàn)有技術(shù)等因素，空間摩擦學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)主要包括超高真空、高低溫和輻照3個(gè)相對(duì)獨(dú)立的摩擦試驗(yàn)單元，如圖1所示。

圖1 空間摩擦學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)Fig. 1 The space tribological test system

1.1 超高真空環(huán)境摩擦試驗(yàn)單元

該單元有兩個(gè)上端可開啟的立式圓柱形真空室，其材料為1Cr18Ni9Ti，采用全金屬密封。真空抽氣系統(tǒng)由機(jī)械泵、分子泵、離子泵組成，可獲得≤2.0×10-7Pa的極限真空。摩擦機(jī)構(gòu)安裝在真空室內(nèi)，采用球-盤滑動(dòng)摩擦方式，上試樣為球，下試樣為盤，可在水平面內(nèi)勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，采用重力法將載荷通過球施加至盤表面。盤的轉(zhuǎn)軸從真空室的底端垂直通過磁耦合轉(zhuǎn)軸與真空室外的驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)軸相連。用計(jì)算機(jī)調(diào)控驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)球-盤相對(duì)滑動(dòng)速度，用載荷傳感器測(cè)量摩擦力，采集到的摩擦力信號(hào)經(jīng)過測(cè)控儀進(jìn)行 A/D轉(zhuǎn)換后輸入到計(jì)算機(jī)并描繪出摩擦系數(shù)隨時(shí)間變化的曲線。

1.2 高低溫環(huán)境摩擦試驗(yàn)單元

該單元由真空室、超高真空獲得系統(tǒng)、高低溫獲得裝置和球-盤式的摩擦機(jī)構(gòu)組成，具有在超高真空和交變溫度環(huán)境下進(jìn)行摩擦試驗(yàn)的功能。真空室為立式結(jié)構(gòu)，其直徑為1 m，高為0.8 m，材料為1Cr18Ni9Ti，頂蓋開啟，采用全金屬密封。真空獲得系統(tǒng)由機(jī)械泵、分子泵和離子泵組成，可獲得2×10-7Pa的極限真空。真空室內(nèi)置液氮熱沉和輻射加熱器，摩擦試樣位于熱沉和加熱器圍成的環(huán)形區(qū)域中央，通過調(diào)節(jié)加熱器功率和熱沉中液氮的注入量，可獲得-180 +350 ℃的交變溫度環(huán)境。

1.3 空間輻照環(huán)境摩擦試驗(yàn)單元

該單元的真空室為臥式結(jié)構(gòu)，其直徑為1 m，長(zhǎng)為1.2 m，材料為1Cr18Ni9Ti，兩端開門，采用金屬橡膠混合密封。采用機(jī)械泵和分子泵可獲得6×10-5Pa的極限真空。摩擦試樣置于真空室的中央，在真空室上方有原子氧源、紫外源等多種空間輻照環(huán)境模擬裝置，各輻照束流均可匯聚到試樣的上表面，開展輻照環(huán)境下的摩擦試驗(yàn)。該裝置的輻照環(huán)境參數(shù)列于表1。

表1 模擬空間輻照環(huán)境參數(shù)Table 1 Parameters of simulated space irradiation environment

2 試驗(yàn)條件

1)原子氧輻照：束流的通量密度 6.2× 1015atom/(cm2·s)，原子氧動(dòng)能5 eV；真空度3.0× 10-2Pa；輻照時(shí)間150 min；經(jīng)原子氧輻照后的試樣直接在真空中進(jìn)行摩擦試驗(yàn)；

2)紫外輻照：紫外輻照度300 W/m2，波長(zhǎng)115 400 nm；真空度≤3×10-4Pa；輻射時(shí)間3 600 min；經(jīng)紫外輻照后試樣直接在真空中進(jìn)行摩擦試驗(yàn)；

3)高低溫：溫度范圍為-120 +250 ℃；分別在-120 ℃、20 ℃和250 ℃下進(jìn)行摩擦試驗(yàn)；

4)摩擦試驗(yàn)：除了高低溫條件下真空度≤5×10-6Pa之外，其他條件下的摩擦試驗(yàn)真空度均為≤5×10-4Pa；摩擦對(duì)偶球的直徑為3 mm，其材料為Si3N4；法向加載的載荷2.5 N；轉(zhuǎn)速 100 r/min。

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 真空環(huán)境對(duì)固體材料摩擦性能的影響

圖2為PTFE材料在真空和大氣中的摩擦試驗(yàn)曲線，該材料在大氣中摩擦系數(shù)的平均值為 0.02左右，而在超高真空中接近0.10。圖3為PI材料在真空和大氣中的摩擦試驗(yàn)曲線，該材料在大氣中摩擦系數(shù)的平均值大于 0.30；真空中摩擦系數(shù)在0.10 0.15之間，而且波動(dòng)較小。

圖2 真空和大氣中PTFE的摩擦性能對(duì)比Fig. 2 Comparison between friction behaviors of PTFE in vacuum and in air

圖3 大氣和真空中PI的摩擦性能比較Fig. 3 Comparison between friction behaviors of PI in vacuum and in air

圖4是離子鍍Ag膜在真空和大氣中的摩擦試驗(yàn)結(jié)果，該薄膜在大氣中的平均摩擦系數(shù)為0.15 0.20之間，具有較好的潤(rùn)滑性能；在超高真空中的摩擦系數(shù)達(dá)到0.30以上，失去了潤(rùn)滑性能。MoS2/PI粘結(jié)涂層在真空和大氣中的摩擦試驗(yàn)結(jié)果如圖 5所示，該涂層在大氣中摩擦系數(shù)大于0.15，在真空中為0.02左右，具有優(yōu)異的潤(rùn)滑性能。

圖4 真空與大氣環(huán)境中離子鍍Ag膜摩擦性能對(duì)比Fig. 4 Comparison between friction behaviors of ion-plated Ag film in vacuum and in air

圖5 真空和大氣中MoS2/PI粘結(jié)涂層的摩擦性能對(duì)比Fig. 5 Comparison between friction behaviors of MoS2/PI bonded coating in vacuum and in air

3.2 超高真空下溫度環(huán)境對(duì)固體材料摩擦性能的影響

在超高真空下分別于-120 ℃、室溫和250 ℃下對(duì)濺射MoS2基復(fù)合潤(rùn)滑薄膜和離子鍍Ag膜做摩擦試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果分別如圖6和圖7所示。MoS2基復(fù)合潤(rùn)滑薄膜在真空室溫下的摩擦系數(shù)為0.04，在真空低溫下摩擦系數(shù)降低至0.02，在真空高溫下升為0.06，表明該薄膜在真空交變溫度環(huán)境中具有良好的潤(rùn)滑性能。離子鍍Ag膜在超高真空室溫環(huán)境中的摩擦系數(shù)大約為0.30，真空低溫下摩擦系數(shù)超過0.40，真空高溫下摩擦系數(shù)高達(dá) 0.60，同時(shí)摩擦曲線明顯變寬，說明交變溫度使其潤(rùn)滑性能變得更差。

圖6 環(huán)境溫度對(duì)濺射MoS2基復(fù)合潤(rùn)滑薄膜真空摩擦性能的影響Fig. 6 Effect of environment temperature on friction behavior of sputtered MoS2-based composite film in ultrahigh vacuum

圖7 環(huán)境溫度對(duì)離子鍍Ag膜超高真空摩擦性能的影響Fig. 7 Effect of environmental temperature on friction behavior of ion-plated Ag film in ultrahigh vacuum

3.3 輻照環(huán)境對(duì)固體材料真空摩擦性能的影響

3.3.1 原子氧輻照固體潤(rùn)滑材料真空摩擦性能的影響

圖8和圖9分別為Kapton 薄膜和PTFE經(jīng)原子氧輻照前、后的摩擦系數(shù)對(duì)比圖，原子氧輻照導(dǎo)致兩種材料的摩擦系數(shù)均顯著升高。其中 Kapton經(jīng)原子氧輻照后，啟動(dòng)摩擦系數(shù)從 0.15增大至0.25，平穩(wěn)摩擦系數(shù)由0.13左右增大至0.23左右，磨合期最大的摩擦系數(shù)由0.20增大至0.30以上。PTFE的啟動(dòng)摩擦系數(shù)由0.04增大至0.15，隨著摩擦?xí)r間的增加，未輻照樣品的摩擦系數(shù)逐漸上升，輻照后樣品的摩擦系數(shù)逐漸下降，二者越來越接近，在摩擦?xí)r間180 s時(shí)，未輻照和輻照后樣品的摩擦系數(shù)分別為0.06和0.08。

圖8 原子氧對(duì)Kapton薄膜真空摩擦性能的影響Fig. 8 Effect of atomic oxygen on friction behavior of Kapton film in high vacuum

圖9 原子氧對(duì)PTFE真空摩擦性能的影響Fig. 9 Effect of atomic oxygen on friction behavior of PTFE film in high vacuum

3.3.2 紫外輻照對(duì)潤(rùn)滑材料真空摩擦性能的影響

圖10和圖11分別為紫外輻照前、后MoS2/PI粘結(jié)涂層和Kapton薄膜的摩擦系數(shù)對(duì)比圖。經(jīng)過紫外輻照60 h后，MoS2/PI粘結(jié)涂層的啟動(dòng)摩擦系數(shù)由輻照前的0.14增大至0.30，增大一倍多；平穩(wěn)摩擦系數(shù)由輻照前的0.03增至0.23，增大近一個(gè)數(shù)量級(jí)。Kapton的啟動(dòng)摩擦系數(shù)由輻照前的0.10增大至 0.30，輻照后磨合期摩擦系數(shù)出現(xiàn)了接近0.40的極大值，然后穩(wěn)定在0.30附近，而未輻照的樣品在穩(wěn)定段的摩擦系數(shù)為 0.15左右，二者相差約一倍。這說明紫外輻照導(dǎo)致上述兩種材料的潤(rùn)滑性能明顯退化。

圖10 紫外輻照對(duì)MoS2/PI粘結(jié)涂層真空摩擦性能的影響Fig. 10 Effect of UV on friction behavior of MoS2/PI bonded coatings in high vacuum

圖11 紫外輻照對(duì)Kapton薄膜真空摩擦性能的影響Fig. 11 Effect of UV on friction behavior of Kapton films in high vacuum

4 結(jié)束語

利用自行研制的 3個(gè)摩擦試驗(yàn)單元開展了幾種固體材料的空間環(huán)境摩擦性能試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)：在真空環(huán)境中，PTFE、PI和離子鍍Ag薄膜等材料的摩擦系數(shù)升高，MoS2/PI粘結(jié)涂層的摩擦系數(shù)減小。超高真空和高低溫下，離子鍍Ag薄膜的摩擦系數(shù)較室溫下明顯增大，濺射MoS2基復(fù)合潤(rùn)滑薄膜的摩擦系數(shù)變化范圍很小。在原子氧和紫外輻照環(huán)境中，PI、Kapton、PTFE和MoS2/PI粘結(jié)涂層等材料輻照后的潤(rùn)滑性能均明顯退化。試驗(yàn)結(jié)果表明空間環(huán)境是導(dǎo)致材料潤(rùn)滑性能退化的重要因素，應(yīng)該繼續(xù)開展深入、系統(tǒng)的研究，以便揭示材料摩擦性能變化的物理化學(xué)機(jī)制，為開發(fā)新型空間潤(rùn)滑材料提供理論參考。

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