聚合物轉移膜的空間潤滑應用

王子君，李春偉

(1.洛陽軸研科技股份有限公司，河南 洛陽 471039；2.北京控制工程研究所，北京 100080)

1 空間潤滑中使用的固體潤滑膜

空間機構中應用著齒輪、軸承等轉動部件，必須進行可靠的潤滑，以降低摩擦，提高安全壽命。空間潤滑是一個特殊的應用領域，工作環境的真空度高，溫度變化幅度大，部件之間的關聯性強，工作可靠性要求高，有些功能運動部位不能應用液體潤滑劑，只能采用固體潤滑技術。

固體潤滑為采用技術方法在相對運動的表面用固體潤滑劑制作膜層以減小摩擦。早期利用擦涂方式將固體潤滑劑黏附在工作表面；或者將固體潤滑劑與黏結劑液體混合，通過噴滴跑合的方法在工作面制成涂敷薄膜。我國于20世紀80年代開始利用濺射或離子鍍方法在表面形成氣相沉積膜，這樣形成的固體潤滑膜的缺點是壽命較短，膜層一旦破損不可自我修復，會加速潤滑失效。近年發展的離子注入技術是在工作表面材料內部形成復合膜，綜合性能有較大改善。這些都屬于預制型潤滑膜，主要性能在使用之前均已確定。

下文所述的聚合物轉移膜則是一種運動生成型固體潤滑膜。用聚合物及其復合材料制成轉動機構相對運動的零件，如齒輪、滑動軸承、滾動軸承保持架等，通過工作過程中的相對運動，利用摩擦把聚合物向對磨面轉移，在相對運動的工作表面形成聚合物轉移潤滑膜層。其可以在工作過程中逐漸得到補充和更新，因此壽命較長，性能穩定，可靠度較高。通過運動部件預跑合形成的初始轉移膜可有效避免空間運動金屬部件表面間的冷焊現象。調節聚合物復合材料成分和比例可以控制磨損率，調節轉移能力，提高轉移膜與基體表面結合力，工況適應性較強。

2 用于空間轉移膜的聚合物及其復合材料

聚合物及其復合材料應用于空間轉移潤滑膜有許多優點，如在真空條件下放氣量低、對功能部件的污染度低、質量輕、摩擦系數小、加工及制造成本低等；但其同時也存在熱膨脹系數大、承載能力低、尺寸穩定性差和導熱率低等缺點。這些缺點可通過加入功能改性材料來彌補，因此，在設計制造聚合物潤滑功能零件時，必須針對應用部位的功能要求綜合考慮材料性能，選擇適合的材料和工藝。

空間潤滑用聚合物材料必須具有足夠的機械強度和良好的尺寸穩定性，可以滿足并保持加工精度，制成的功能部件能滿足承載使用性能要求，實現機械運動零件的功能；要有適宜的摩擦性能，摩擦系數低且穩定，磨損量適中，可有效潤滑工作表面，能轉移到工作表面形成牢固轉移膜；還要有較好的性能穩定性，能承受空間環境及溫度變化，在使用期內保持性能基本不變。目前應用于空間轉移潤滑膜的聚合物主要是工程塑料，如聚四氟乙烯、聚酰亞胺、聚醚醚酮、超高分子量聚乙烯、聚甲醛等材料。由于空間潤滑應用要求苛刻，且每種工程塑料都有其自身性能的局限性，故通常采用工程塑料復合材料用于空間轉移膜。其工藝技術路線是利用工程塑料作為基體或黏結物質，共混復合一種或多種添加劑或填料，制成具有特殊性能的復合材料，用以制作齒輪、滑動軸承、滾動軸承保持架等功能部件。添加劑有二硫化鉬、二硫化鎢、碳纖維、玻璃纖維、銅粉、鉛粉以及聚合物基纖維等。

聚合物復合添加其他功能材料的主要目的是：(1)增加材料的承載能力，通常用纖維及微粒改性塑料以達到此目的，其中，纖維的改性效果更加明顯；(2)降低材料的摩擦系數和磨損速率；(3)增加聚合物復合材料的熱傳導性，聚合物是熱的不良導體，工作表面易于聚集熱量而導致溫度過高，破壞材料分子結構。雖然大多數塑料都有自潤滑性，添加劑材料的品種也較多，但由于空間應用環境的特殊性，目前只有少數幾種工程塑料復合材料所形成的轉移潤滑膜在空間潤滑實踐中得到成功應用(表1)。

表1 應用于空間轉移潤滑膜的聚合物復合材料

3 聚合物轉移潤滑膜的形成及潤滑機理

聚合物分子鏈的展開結構可降低材料的摩擦和磨損。提高聚合物表面分子展開鏈比例有利于實現轉移減摩作用，形成穩定可靠的聚合物轉移潤滑膜。

聚合物是由重復單元即鏈節組成的高分子材料，分子量及鏈節的成分決定了聚合物的特性，分子的聚集狀態影響聚合物的物理性能。聚合物的分子鏈通常呈折疊鏈狀結構形式，然而在不同的成型和使用條件下聚合物分子的聚集狀態和程度不同，控制結晶條件可以使聚合物分子由熔融態形成延伸鏈晶體結構，也可以在結晶溫度以上通過退火處理而形成延伸鏈晶體；對聚合物施加機械應力可促使分子鏈展開。熱塑性聚合物分子鏈之間沒有化學鍵交聯耦合，分子間結合力較小，該類聚合物可以重復加熱改變形態，分子鏈在外力作用下易于伸展和滑脫。通過塑性變形，聚合物分子鏈可以沿施力方向展開。通過剪切作用，分子鏈會因扭曲和滑動而層疊，逐步按受力方向取向。這是聚合物具有潤滑作用的結構基礎。

聚合物材料可以形成某種剪切層以減小分子間黏附，適應接觸表面相互移動而產生的刮擦作用。剪切層中聚合物分子向對磨面接觸轉移形成轉移膜層，該剪切層和轉移膜層越薄越好。在應力及溫度共同作用下，聚合物分子可以在表面形成鏈狀排列的有一定取向的膜層，降低表面摩擦力。在受到對磨面作用時，剪切層會有所變形，但其有自恢復能力，局部膜層的松脫及流出會導致剪切層流失和轉移膜的形成；當剪切層厚度增加到一定數量時，即產生較大的黏附力和局部應力，增加摩擦，使表面產生磨損顆粒。聚合物的力學性能首先要能承受載荷引起的動態應力和切向摩擦應力；否則聚合物即會迅速磨損，發生塑性變形或脆性破裂。聚合物表面的初期磨損能使接觸面積增加，導致聚合物表面的承載應力降低而減小磨損。初期階段的低速跑合有利于形成剪切層和建立轉移膜。

不同的聚合物形成的剪切層特性不同，生成的轉移潤滑膜受聚合物種類、材料配比、工作載荷、溫度、轉速等多因素影響，其承載能力亦有差別。不同種類的聚合物形成剪切層的能力和條件各異，聚四氟乙烯和超高分子量聚乙烯在空氣中表面受到剪切力作用時可以形成伸展鏈形態的剪切層，但其基體強度較弱，易導致剪切層破壞，應采用不同功能的填料進行改性，增加基體強度，其受環境氣氛的影響較小。聚酰亞胺卻只能在真空條件或溫度高于100 ℃的空氣中才能形成剪切層，原因是常溫的大氣環境中聚酰亞胺分子能與空氣中的水分子形成氫鍵，阻止分子鏈被拖到表面形成延伸分子鏈，不能形成剪切層和轉移膜層。在空氣中對聚酰亞胺材料所作的摩擦試驗結果表明，當其與鋼干摩擦時，摩擦系數較大且不穩定；在真空環境下的摩擦試驗表明，聚酰亞胺對鋼的摩擦系數可穩定在0.02的低水平。聚合物形成的轉移膜的承載能力各不相同，轉移膜能阻止基體材料表面的粗糙化。

4 影響聚合物轉移膜的因素

摩擦副材料及結構是決定聚合物轉移膜的關鍵因素，然而在工作面上形成的聚合物轉移膜層性能還受其他因素的影響，壽命與可靠性差別較大。通過對不同試驗條件下聚合物材料的摩擦現象進行分析，認為影響聚合物轉移膜層性能的因素主要有以下幾種。

4.1 載荷及應力

只有當載荷及滑動產生的切向應力小于臨界值時， 聚合物才能起潤滑作用。根據載荷及應力的不同，出現了兩種截然不同的磨損模式。當載荷及應力較小時，聚合物表面形成的剪切層較薄，磨損表面表現為剪切層的逐層剝離，磨損量隨著載荷呈線性增加；當載荷及應力較大，超過某一臨界值時，聚合物基體的磨損呈脆性破裂，產生塊狀磨損物，磨損量隨著載荷呈指數增加。

4.2 接觸面積

在載荷一定的情況下，接觸面積決定接觸應力，增加接觸面積可降低接觸應力，使磨損量變小，但接觸面積過大則使轉移膜材料產生局部堆積，導致高摩擦和磨損。因此，當接觸應力在材料的許用應力值之下時，應盡量減小接觸面積。

4.3 滑動速度

其對聚合物轉移膜的影響表現在兩個方面：過高的滑動速度使接觸處由于摩擦產生高溫，使聚合物或添加劑分解；然而適宜的滑動速度產生的溫升有利于聚合物分子移動形成剪切層。因此，特定的聚合物材料應有適宜的滑動速度，滑動速度過低對轉移膜的形成不利。

4.4 氣氛

固體潤滑劑對氣氛十分敏感，石墨只有在吸收了氣體及蒸汽時潤滑性才好；二硫化鉬在不吸收氣體及蒸汽時才具有更好的潤滑性。聚合物分子鏈中活潑原子能與水分子形成氫鍵，從而限制了分子鏈的表面移動，形成延伸鏈結構的能力降低，不會形成潤滑表面層，因此，氣氛有可能影響聚合物及內部固體潤滑劑的潤滑性能，必須針對空間應用的具體特點進行試驗選擇，大氣環境中的試驗不能完全反映空間應用狀況。

4.5 溫度

聚合物分子鏈的運動狀態與溫度息息相關，在塑料的玻璃化轉變溫度以上，高分子鏈的運動加劇；而在該溫度之下只能有分子側鏈或鏈節的運動，這種運動方式影響聚合物表面剪切層的形成及作用。溫度也使聚合物復合材料內部的其他成分發生不同的變化，進而影響材料的摩擦和磨損性能。當達到一定溫度以上時，聚合物材料便失去了力學性能，聚合物的耐低溫性較佳，然而過低的溫度使材料的脆性增大。

4.6 輻射

應用于空間的聚合物材料不可避免地要遭受太陽光的輻射，對其分子結構破壞最大的光線是X射線及紫外線，受輻射后分子鏈吸收能量導致交聯和斷鏈，降低力學性能。吸收紅外光輻射使聚合物熱分解。分子鏈或其側鏈上有芳香族官能團的能吸收部分光能，因此，耐輻射能力較強；有效的屏蔽能減少輻射對聚合物性能造成的危害。

4.7 原子氧

低地球軌道中的主要成分是原子氧，其會與碳和銀等迅速反應生成氧化物，使材料的性能發生變化。采用聚合物材料制作的部件長期工作在有原子氧的氣氛之中會加速材料的氧化速度，應引起足夠重視。

5 結論

(1)聚合物轉移潤滑膜是通過相對運動摩擦在對磨面形成的固體潤滑膜。這種固體潤滑方式結構簡單，成本低，壽命長，可靠度高，是一種有效的固體潤滑技術。

(2)聚合物分子在溫度和應力作用下能在表面形成剪切層，其中分子呈伸展鏈形態，易于向對磨面轉移形成轉移潤滑膜。

(3)聚合物轉移潤滑膜的潤滑性和承載能力主要由材料成分決定，工作壽命和可靠度與工況環境有關。為了提高聚合物轉移膜的應用可靠性，應盡量在接近使用條件的試驗環境內作充分試驗。