固體材料的空間環境摩擦試驗

孫曉軍，劉維民

（中國科學院 蘭州化學物理研究所 固體潤滑國家重點實驗室，蘭州 730000）

0 前言

我國航天事業將“啟動并繼續實施載人航天、月球探測、高分辨率對地觀測系統、新一代運載火箭等重大航天科技工程，以及一批重點領域的優先項目，加強基礎研究，超前部署和發展航天領域的若干前沿技術，加快航天科技的進步和創新”[1]。這一規劃的實施對空間潤滑系統的可靠性提出了更高的要求，同時為發展新型空間潤滑材料提供了寶貴的機遇[2]。航天器飛行軌道的主要空間環境特征可以概括為超高真空、高低溫和強輻照等[3]，這些嚴酷的環境因素將對空間潤滑材料的可靠性構成嚴重威脅[4]，已經成為國際空間潤滑材料與技術領域的研究熱點之一[5-8]。然而受到試驗條件的制約，我國在該領域的研究相對滯后，使得現有的空間潤滑材料難以滿足長壽命、高可靠和耐環境等性能的要求。因此盡早創建必需的試驗條件，開展材料的空間環境摩擦行為研究勢在必行。根據我國摩擦學研究的發展趨勢，以及空間潤滑材料與技術研究的實際需求[9-11]，本文作者提出了試驗裝置的研制方案[12]，研制出基于本方案的能模擬多種空間環境的摩擦試驗系統，開展了材料的空間環境摩擦性能試驗。本文將簡要介紹該試驗系統的功能和幾種固體材料的初步試驗結果。

1 試驗裝置簡介

空間摩擦試驗裝置應具有在模擬超高真空、高低溫和強輻照等環境下進行摩擦試驗的功能。綜合考慮研究目標要求與國內現有技術等因素，空間摩擦學試驗系統主要包括超高真空、高低溫和輻照3個相對獨立的摩擦試驗單元，如圖1所示。

圖1 空間摩擦學試驗系統Fig. 1 The space tribological test system

1.1 超高真空環境摩擦試驗單元

該單元有兩個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。真空抽氣系統由機械泵、分子泵、離子泵組成，可獲得≤2.0×10-7Pa的極限真空。摩擦機構安裝在真空室內，采用球-盤滑動摩擦方式，上試樣為球，下試樣為盤，可在水平面內勻速轉動，采用重力法將載荷通過球施加至盤表面。盤的轉軸從真空室的底端垂直通過磁耦合轉軸與真空室外的驅動電機轉軸相連。用計算機調控驅動電機的轉速來調節球-盤相對滑動速度，用載荷傳感器測量摩擦力，采集到的摩擦力信號經過測控儀進行 A/D轉換后輸入到計算機并描繪出摩擦系數隨時間變化的曲線。

1.2 高低溫環境摩擦試驗單元

該單元由真空室、超高真空獲得系統、高低溫獲得裝置和球-盤式的摩擦機構組成，具有在超高真空和交變溫度環境下進行摩擦試驗的功能。真空室為立式結構，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。真空獲得系統由機械泵、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形區域中央，通過調節加熱器功率和熱沉中液氮的注入量，可獲得-180 +350 ℃的交變溫度環境。

1.3 空間輻照環境摩擦試驗單元

該單元的真空室為臥式結構，其直徑為1 m，長為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，開展輻照環境下的摩擦試驗。該裝置的輻照環境參數列于表1。

表1 模擬空間輻照環境參數Table 1 Parameters of simulated space irradiation environment

2 試驗條件

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

2)紫外輻照：紫外輻照度300 W/m2，波長115 400 nm；真空度≤3×10-4Pa；輻射時間3 600 min；經紫外輻照后試樣直接在真空中進行摩擦試驗；

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

4)摩擦試驗：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真空度均為≤5×10-4Pa；摩擦對偶球的直徑為3 mm，其材料為Si3N4；法向加載的載荷2.5 N；轉速 100 r/min。

3 試驗結果

3.1 真空環境對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曲線，該材料在大氣中摩擦系數的平均值為 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曲線，該材料在大氣中摩擦系數的平均值大于 0.30；真空中摩擦系數在0.10 0.15之間，而且波動較小。

圖2 真空和大氣中PTFE的摩擦性能對比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結果，該薄膜在大氣中的平均摩擦系數為0.15 0.20之間，具有較好的潤滑性能；在超高真空中的摩擦系數達到0.30以上，失去了潤滑性能。MoS2/PI粘結涂層在真空和大氣中的摩擦試驗結果如圖 5所示，該涂層在大氣中摩擦系數大于0.15，在真空中為0.02左右，具有優異的潤滑性能。

圖4 真空與大氣環境中離子鍍Ag膜摩擦性能對比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粘結涂層的摩擦性能對比Fig. 5 Comparison between friction behaviors of MoS2/PI bonded coating in vacuum and in air

3.2 超高真空下溫度環境對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 ℃下對濺射MoS2基復合潤滑薄膜和離子鍍Ag膜做摩擦試驗，試驗結果分別如圖6和圖7所示。MoS2基復合潤滑薄膜在真空室溫下的摩擦系數為0.04，在真空低溫下摩擦系數降低至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境中具有良好的潤滑性能。離子鍍Ag膜在超高真空室溫環境中的摩擦系數大約為0.30，真空低溫下摩擦系數超過0.40，真空高溫下摩擦系數高達 0.60，同時摩擦曲線明顯變寬，說明交變溫度使其潤滑性能變得更差。

圖6 環境溫度對濺射MoS2基復合潤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 環境溫度對離子鍍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 輻照環境對固體材料真空摩擦性能的影響

3.3.1 原子氧輻照固體潤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經原子氧輻照前、后的摩擦系數對比圖，原子氧輻照導致兩種材料的摩擦系數均顯著升高。其中 Kapton經原子氧輻照后，啟動摩擦系數從 0.15增大至0.25，平穩摩擦系數由0.13左右增大至0.23左右，磨合期最大的摩擦系數由0.20增大至0.30以上。PTFE的啟動摩擦系數由0.04增大至0.15，隨著摩擦時間的增加，未輻照樣品的摩擦系數逐漸上升，輻照后樣品的摩擦系數逐漸下降，二者越來越接近，在摩擦時間180 s時，未輻照和輻照后樣品的摩擦系數分別為0.06和0.08。

圖8 原子氧對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 紫外輻照對潤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粘結涂層和Kapton薄膜的摩擦系數對比圖。經過紫外輻照60 h后，MoS2/PI粘結涂層的啟動摩擦系數由輻照前的0.14增大至0.30，增大一倍多；平穩摩擦系數由輻照前的0.03增至0.23，增大近一個數量級。Kapton的啟動摩擦系數由輻照前的0.10增大至 0.30，輻照后磨合期摩擦系數出現了接近0.40的極大值，然后穩定在0.30附近，而未輻照的樣品在穩定段的摩擦系數為 0.15左右，二者相差約一倍。這說明紫外輻照導致上述兩種材料的潤滑性能明顯退化。

圖10 紫外輻照對MoS2/PI粘結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 結束語

利用自行研制的 3個摩擦試驗單元開展了幾種固體材料的空間環境摩擦性能試驗，試驗結果發現：在真空環境中，PTFE、PI和離子鍍Ag薄膜等材料的摩擦系數升高，MoS2/PI粘結涂層的摩擦系數減小。超高真空和高低溫下，離子鍍Ag薄膜的摩擦系數較室溫下明顯增大，濺射MoS2基復合潤滑薄膜的摩擦系數變化范圍很小。在原子氧和紫外輻照環境中，PI、Kapton、PTFE和MoS2/PI粘結涂層等材料輻照后的潤滑性能均明顯退化。試驗結果表明空間環境是導致材料潤滑性能退化的重要因素，應該繼續開展深入、系統的研究，以便揭示材料摩擦性能變化的物理化學機制，為開發新型空間潤滑材料提供理論參考。

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