吳?平，徐海燕，鞠鵬飛，陳 磊，周惠娣，陳建敏

（1.中國科學院蘭州化學物理研究所 材料磨損與防護重點實驗室，甘肅 蘭州 730000；2.上海航天設備制造總廠有限公司，上海 200245）

0 引言

航天飛行器及相關機械部件長期暴露于空間環(huán)境中，需要面臨各種宇宙射線的輻照，諸如原子氧、紫外射線、質子流以及電子流束等。這些宇宙射線很容易造成材料的侵蝕失效，嚴重時甚至導致飛行器發(fā)生故障［1-3］。因此，在保證相關復合材料輕量化的前提下，對其表面及關鍵運動部件進行表面預處理是提高其耐空間環(huán)境適應性的主要途徑［4］。常見的表面處理技術主要包括熱噴涂技術、物理/化學氣相沉積、電鍍和涂覆涂層技術等，涂覆涂層技術由于工藝簡單、操作方便、周期短、成本低等優(yōu)點被廣泛應用。

目前主要應用于航天飛行器表面防護的涂覆涂層，按照黏結劑的不同主要分有機類和無機類涂層。有機類涂層由于其附著力強、韌性好、耐沖擊性能優(yōu)異、耐腐蝕等諸多優(yōu)勢而備受青睞，如聚酰亞胺、聚四氟乙烯以及聚醚醚酮等類型［5-7］。然而有機類涂層在原子氧強的氧化作用以及高能量紫外輻照等復雜耦合條件下，涂層表面分子被逐漸活化、化學鍵斷裂，短期內會被侵蝕降解［8-9］，難以滿足航天飛行器相關部位中長期的表面防護需求。而無機鹽類復合涂層由于其本身耐高溫、原子氧、紫外和高能粒子輻照，以及耐候等獨特性能得到廣泛關注，其中尤以磷酸鹽類復合潤滑涂層更為顯著。本文在前期大量工作的基礎上［10-11］，針對航天飛行器相關運動零部件表面防護涂層不僅要求具有優(yōu)異的空間環(huán)境適應性，同時還要求具有良好的潤滑性能，以滿足相關設備在空間環(huán)境中的長壽命、高可靠性能，通過地面模擬空間環(huán)境綜合設備，將系統(tǒng)化考察磷酸鹽類黏結固體潤滑涂層分別在原子氧、紫外、高能質子和電子長時間輻照下的真空摩擦學性能，實現(xiàn)該類涂層在相關飛行器運動部件上的長期穩(wěn)定使用，最終保證相關飛行器的長壽命、高可靠性穩(wěn)定運行。

1 實驗部分

1.1 磷酸鹽基固體潤滑涂層的制備

多羥基硅氧烷改性磷酸鹽復合潤滑涂層（ACP）的制備按照已有方法進行［10］。具體步驟：將預先研磨與高速分散均勻的復合潤滑填料漿料（MoS2、CeF3、Sb2O3）與質量分數(shù)5%多羥基硅氧烷改性的磷酸鹽黏結劑以最佳黏固比為3∶1 混合，將混合均勻的漿料用噴槍在室溫大氣環(huán)境下（溫度25 ℃，相對濕度60%）噴涂到不同尺寸Inconel 718鋼塊表面（如圖1（a））所示，噴涂前鋼塊表面進行噴砂、丙酮超聲清洗，噴好的樣塊放置馬弗爐進行固化，固化后涂層的厚度均為15～20 μm。

1.2 地面模擬輻照試驗

對所制備復合涂層通過合肥研飛電器科技有限公司生產的地面模擬空間綜合環(huán)境系統(tǒng)分別進行紫外、原子氧和高能電子的輻照，地面模擬空間環(huán)境輻照系統(tǒng)裝置如圖1（b）所示，具體輻照條件如下。

圖1 樣品和地面模擬輻照設備形貌Fig.1 Morphology of the samples and the ground-based simulation equipment

紫外輻照（UV）地面模擬實驗條件：通過調節(jié)電流控制平均輻照強度為60 mW/cm2，累積輻照總劑量為1 256 kJ/cm2，相當于在軌運行5 a。

高能電子輻照（HE）地面模擬實驗條件：采用微波ECR 等離子體作為陰極來產生電子，電子輻照電流0.1 mA/cm2，累積總劑量6.5×107rad（Si），相當于在軌運行5 a。

原子氧輻照（AO）地面模擬試驗條件：采用大型微波ECR 原子氧源，通過1 kW 微波源在共振腔中激勵產生氧等離子體，用鉬靶反射氧離子中性化產生強流原子氧束。調節(jié)微電流控制原子氧束流密度為1.23×1016atoms·cm?2·s?1，原子氧能量為5 eV，最終輻照累積劑量為2.6×1022atoms·cm?2，相當于在軌運行5 a。

1.3 摩擦磨損試驗

利用瑞士CSM 的球-盤式真空摩擦磨損試驗機，在旋轉模式下對不同輻照條件下涂層的真空摩擦學性能進行測試。測試條件：對偶球為直徑6 mm 的不銹鋼球（GCr15，Ra=20 nm），真空度低于1.0×10?4Pa，旋轉半徑5.0 mm，旋轉速度1 000 r/min，載荷5 N，設定摩擦時間25 h，摩擦試驗數(shù)據(jù)取3 次重復試驗結果的平均值。摩擦實驗后的磨損體積（ΔV，mm3）由3D 非接觸式輪廓儀測試。磨損率（mm3/（N·m））為Ws=ΔV/（SF），式中：S代表總的摩擦距離（m）；F代表載荷（N）。每個樣品的摩擦磨損試驗結果取3 次重復試驗的平均值。

1.4 表征

采用型涂層粗糙度測試儀對輻照前后的涂層粗糙度進行測量；依據(jù)GB/T 9286—1998 標準，采用劃格法測試涂層附著力；依據(jù)GB/T 1732—1993標準，采用漆膜沖擊器測試涂層沖擊性能；依據(jù)GB/T 1731—1993 標準，采用漆膜彎曲試驗器測試涂層柔韌性。

采用JSM-5600LV 型掃描電子顯微鏡（SEM）對輻照前后涂層形貌和摩擦試驗后的磨痕形貌進行分析。

利用Philips 公司的X’Pert-MRD X 射線衍射儀（XRD）對摩擦實驗前后涂層的結構進行分析，所用的激發(fā)光源為Cu-Kα射線（λ=0.154 056 nm，40 kV，0 mA），掃描范圍為10°～90°。

采用PHI-5702 多功能X 射線光電子能譜（XPS）對輻照前后涂層的化學結構進行分析，激發(fā)光源為Al-Kα 射線，通能為29.4 eV，并以碳元素進行定標（C1s：284.8 eV）。

2 結果與討論

2.1 磷酸鹽復合涂層的基本特征

借助XRD、XPS 和SEM 對所制備磷酸鹽復合涂層的結構進行表征，結果如圖2 所示。選擇MoS2作為潤滑添加相，Sb2O3作為抗氧化劑，CeF3作為協(xié)同潤滑相。通過SEM 分析表明：所制備復合涂層中各成分分散比較均勻，MoS2完整的單晶結構有助于提高其抗氧化作用［12］，其表面致密性較好，但仍然有少量孔洞，且涂層與不銹鋼結合較好，厚度約為15 μm 左右。

圖2 磷酸鹽復合涂層的基本特征Fig.2 General characteristics of the phosphate composite coating

2.2 輻照前后涂層基本性能比較

輻照前后涂層的質量變化見表1。由表1 可知，長時間UV、HE 和AO 輻照后，涂層的質量變化均比較微小，這是由于少量多羥基硅氧烷改性ACP 黏結劑本身性質比較穩(wěn)定，其分別在UV、HE 和AO的輻照作用下，未發(fā)生化學反應，涂層結構比較完整。

表1 不同輻照試驗前后復合涂層的質量變化Tab.1 Mass variations of the composite coatings before and after different irradiation tests

不同輻照前后涂層的表面粗糙度及附著力、沖擊性、柔韌性等基本性能指標見表2。由數(shù)據(jù)得知：與原始樣品相比，UV 和HE 對涂層的粗糙度沒有影響，AO 輻照后，涂層粗糙度明顯變大，不同輻照對涂層的附著力、柔韌性和耐沖擊等力學性能沒有影響。這主要是由于具有強氧化作用的AO 使涂層表面裸露的鱗片狀MoS2發(fā)生部分氧化，破壞了晶體結構，導致涂層表面粗糙度增大。

表2 磷酸鹽基黏結固體潤滑涂層在輻照前后的力學性能Tab.2 Mechanical properties of the phosphate bonded solid lubricating coatings before and after irradiation

所研制涂層在不同輻照前后涂層的表面形貌如圖3 所示。

圖3 不同輻照試驗前后復合涂層表面SEM 形貌圖Fig.3 SEM images of the composite coating surfaces before and after different irradiation tests

由圖3 可以看出：3 種輻照試驗后涂層的表面組織結構與未輻照涂層的差別不是很大，AO 輻照后涂層表面稍顯致密，裸露的鱗片狀MoS2減少，表面小顆粒增多，這是由于部分MoS2發(fā)生氧化作用后變成顆粒狀的氧化物，這些顆粒氧化物并填充于涂層表面空隙中，使涂層變致密。

為了進一步分析UV、HE 和AO 輻照后對涂層化學組成結構的影響，通過XPS 分析了不同輻照后涂層中潤滑相MoS2的變化情況，結果如圖4 所示。系統(tǒng)比較了不同輻照后涂層中Mo3d 的變化情況，與未輻照涂層相比，經過不同輻照后，涂層表面的潤滑添加相發(fā)生了較大變化，涂層表面裸露的MoS2發(fā)生了部分氧化［13］。

圖4 不同輻照后涂層表面Mo3d XPS 譜圖比較Fig.4 XPS spectra of the Mo3d in the phosphate coatings before and after different irradiation

2.3 不同輻照條件下涂層的真空摩擦學性能比較

設計開發(fā)改性磷酸鹽基黏結固體潤滑涂層的初衷，是實現(xiàn)航天飛行器相關運動部件長期在軌運行過程中的潤滑與防護。因此，保證所制備涂層在復雜空間輻照環(huán)境下仍然具有良好的真空摩擦學性能，是其能否被使用的關鍵所在。為此，對地面模擬空間環(huán)境系統(tǒng)設備中分別經過長時間UV、HE 和AO 輻照后涂層的真空摩擦學進行了詳細的評價。圖5（a）為在500 Hz 應力條件下，涂層輻照前后的摩擦系數(shù)曲線，所有涂層的平均摩擦系數(shù)均在0.025 左右，其中AO 輻照后涂層的平均摩擦系數(shù)稍微偏大（如圖5（b）所示），主要是由于在AO 輻照下涂層表面裸露的MoS2發(fā)生了部分的氧化，降低了潤滑性能。同樣，AO 輻照后涂層的磨損率增大（如圖5（c）所示）；如圖5（d）所示，無論是AO 輻照還是UV 和HE輻照，在運行100 萬轉后，所有涂層均未磨穿。由此說明，各種類型輻照并未影響復合涂層在真空條件下的磨損壽命，涂層仍然表現(xiàn)出良好的潤滑作用。

圖5 不同輻照試驗后復合涂層的摩擦學特征Fig.5 Tribological properties of the composite coatings before and after different irradiation tests

不同輻照前后涂層磨痕的三維形貌如圖6 所示。由圖6 可見，未輻照涂層磨痕表面比較光滑，輻照后涂層磨痕表面出現(xiàn)明顯的磨粒磨損。分析原因，主要是由于涂層中少量的有機硅在輻照和摩擦熱的共同作用發(fā)生降解，在摩擦界面生產硬顆粒，導致磨粒磨損明顯。

圖6 不同輻照試驗前后復合涂層磨痕的三維形貌圖Fig.6 3D topographies of the wear scars on the composite coatings before and after different irradiation tests

3 結束語

本文基于現(xiàn)有航天飛行器相關運動部件使用的有機類固體潤滑涂層長期暴露于空間環(huán)境中容易降解、可靠性降低、潤滑失效等不足，設計開發(fā)了有機硅改性無機磷酸鹽類固體潤滑涂層。通過地面模擬空間環(huán)境設備系統(tǒng)評價了該類涂層在經過紫外、高能粒子和原子氧輻照后的綜合力學性能表現(xiàn)和真空摩擦學性能。結果表明：該涂層具有很好的空間環(huán)境適應性，期望替代傳統(tǒng)有機類涂層而被廣泛應用于航天飛行器，以提高其性能的可靠性和飛行器的服役周期。本文中對所制備涂層的空間環(huán)境適應性考核，目前只是通過地面模擬空間環(huán)境設備完成，與實際空間環(huán)境還具有一定差異。因此，后續(xù)工作中將進一步開展涂層的臺架試驗和搭載試驗，最終完全實現(xiàn)航天航空相關飛行器上的工程化應用。