固体材料的空间环境摩擦试验

孙晓军，刘维民

（中国科学院 兰州化学物理研究所 固体润滑国家重点实验室，兰州 730000）

0 前言

我国航天事业将“启动并继续实施载人航天、月球探测、高分辨率对地观测系统、新一代运载火箭等重大航天科技工程，以及一批重点领域的优先项目，加强基础研究，超前部署和发展航天领域的若干前沿技术，加快航天科技的进步和创新”[1]。这一规划的实施对空间润滑系统的可靠性提出了更高的要求，同时为发展新型空间润滑材料提供了宝贵的机遇[2]。航天器飞行轨道的主要空间环境特征可以概括为超高真空、高低温和强辐照等[3]，这些严酷的环境因素将对空间润滑材料的可靠性构成严重威胁[4]，已经成为国际空间润滑材料与技术领域的研究热点之一[5-8]。然而受到试验条件的制约，我国在该领域的研究相对滞后，使得现有的空间润滑材料难以满足长寿命、高可靠和耐环境等性能的要求。因此尽早创建必需的试验条件，开展材料的空间环境摩擦行为研究势在必行。根据我国摩擦学研究的发展趋势，以及空间润滑材料与技术研究的实际需求[9-11]，本文作者提出了试验装置的研制方案[12]，研制出基于本方案的能模拟多种空间环境的摩擦试验系统，开展了材料的空间环境摩擦性能试验。本文将简要介绍该试验系统的功能和几种固体材料的初步试验结果。

1 试验装置简介

空间摩擦试验装置应具有在模拟超高真空、高低温和强辐照等环境下进行摩擦试验的功能。综合考虑研究目标要求与国内现有技术等因素，空间摩擦学试验系统主要包括超高真空、高低温和辐照3个相对独立的摩擦试验单元，如图1所示。

图1 空间摩擦学试验系统Fig. 1 The space tribological test system

1.1 超高真空环境摩擦试验单元

该单元有两个上端可开启的立式圆柱形真空室，其材料为1Cr18Ni9Ti，采用全金属密封。真空抽气系统由机械泵、分子泵、离子泵组成，可获得≤2.0×10-7Pa的极限真空。摩擦机构安装在真空室内，采用球-盘滑动摩擦方式，上试样为球，下试样为盘，可在水平面内匀速转动，采用重力法将载荷通过球施加至盘表面。盘的转轴从真空室的底端垂直通过磁耦合转轴与真空室外的驱动电机转轴相连。用计算机调控驱动电机的转速来调节球-盘相对滑动速度，用载荷传感器测量摩擦力，采集到的摩擦力信号经过测控仪进行 A/D转换后输入到计算机并描绘出摩擦系数随时间变化的曲线。

1.2 高低温环境摩擦试验单元

该单元由真空室、超高真空获得系统、高低温获得装置和球-盘式的摩擦机构组成，具有在超高真空和交变温度环境下进行摩擦试验的功能。真空室为立式结构，其直径为1 m，高为0.8 m，材料为1Cr18Ni9Ti，顶盖开启，采用全金属密封。真空获得系统由机械泵、分子泵和离子泵组成，可获得2×10-7Pa的极限真空。真空室内置液氮热沉和辐射加热器，摩擦试样位于热沉和加热器围成的环形区域中央，通过调节加热器功率和热沉中液氮的注入量，可获得-180 +350 ℃的交变温度环境。

1.3 空间辐照环境摩擦试验单元

该单元的真空室为卧式结构，其直径为1 m，长为1.2 m，材料为1Cr18Ni9Ti，两端开门，采用金属橡胶混合密封。采用机械泵和分子泵可获得6×10-5Pa的极限真空。摩擦试样置于真空室的中央，在真空室上方有原子氧源、紫外源等多种空间辐照环境模拟装置，各辐照束流均可汇聚到试样的上表面，开展辐照环境下的摩擦试验。该装置的辐照环境参数列于表1。

表1 模拟空间辐照环境参数Table 1 Parameters of simulated space irradiation environment

2 试验条件

1)原子氧辐照：束流的通量密度 6.2× 1015atom/(cm2·s)，原子氧动能5 eV；真空度3.0× 10-2Pa；辐照时间150 min；经原子氧辐照后的试样直接在真空中进行摩擦试验；

2)紫外辐照：紫外辐照度300 W/m2，波长115 400 nm；真空度≤3×10-4Pa；辐射时间3 600 min；经紫外辐照后试样直接在真空中进行摩擦试验；

3)高低温：温度范围为-120 +250 ℃；分别在-120 ℃、20 ℃和250 ℃下进行摩擦试验；

4)摩擦试验：除了高低温条件下真空度≤5×10-6Pa之外，其他条件下的摩擦试验真空度均为≤5×10-4Pa；摩擦对偶球的直径为3 mm，其材料为Si3N4；法向加载的载荷2.5 N；转速 100 r/min。

3 试验结果

3.1 真空环境对固体材料摩擦性能的影响

图2为PTFE材料在真空和大气中的摩擦试验曲线，该材料在大气中摩擦系数的平均值为 0.02左右，而在超高真空中接近0.10。图3为PI材料在真空和大气中的摩擦试验曲线，该材料在大气中摩擦系数的平均值大于 0.30；真空中摩擦系数在0.10 0.15之间，而且波动较小。

图2 真空和大气中PTFE的摩擦性能对比Fig. 2 Comparison between friction behaviors of PTFE in vacuum and in air

图3 大气和真空中PI的摩擦性能比较Fig. 3 Comparison between friction behaviors of PI in vacuum and in air

图4是离子镀Ag膜在真空和大气中的摩擦试验结果，该薄膜在大气中的平均摩擦系数为0.15 0.20之间，具有较好的润滑性能；在超高真空中的摩擦系数达到0.30以上，失去了润滑性能。MoS2/PI粘结涂层在真空和大气中的摩擦试验结果如图 5所示，该涂层在大气中摩擦系数大于0.15，在真空中为0.02左右，具有优异的润滑性能。

图4 真空与大气环境中离子镀Ag膜摩擦性能对比Fig. 4 Comparison between friction behaviors of ion-plated Ag film in vacuum and in air

图5 真空和大气中MoS2/PI粘结涂层的摩擦性能对比Fig. 5 Comparison between friction behaviors of MoS2/PI bonded coating in vacuum and in air

3.2 超高真空下温度环境对固体材料摩擦性能的影响

在超高真空下分别于-120 ℃、室温和250 ℃下对溅射MoS2基复合润滑薄膜和离子镀Ag膜做摩擦试验，试验结果分别如图6和图7所示。MoS2基复合润滑薄膜在真空室温下的摩擦系数为0.04，在真空低温下摩擦系数降低至0.02，在真空高温下升为0.06，表明该薄膜在真空交变温度环境中具有良好的润滑性能。离子镀Ag膜在超高真空室温环境中的摩擦系数大约为0.30，真空低温下摩擦系数超过0.40，真空高温下摩擦系数高达 0.60，同时摩擦曲线明显变宽，说明交变温度使其润滑性能变得更差。

图6 环境温度对溅射MoS2基复合润滑薄膜真空摩擦性能的影响Fig. 6 Effect of environment temperature on friction behavior of sputtered MoS2-based composite film in ultrahigh vacuum

图7 环境温度对离子镀Ag膜超高真空摩擦性能的影响Fig. 7 Effect of environmental temperature on friction behavior of ion-plated Ag film in ultrahigh vacuum

3.3 辐照环境对固体材料真空摩擦性能的影响

3.3.1 原子氧辐照固体润滑材料真空摩擦性能的影响

图8和图9分别为Kapton 薄膜和PTFE经原子氧辐照前、后的摩擦系数对比图，原子氧辐照导致两种材料的摩擦系数均显著升高。其中 Kapton经原子氧辐照后，启动摩擦系数从 0.15增大至0.25，平稳摩擦系数由0.13左右增大至0.23左右，磨合期最大的摩擦系数由0.20增大至0.30以上。PTFE的启动摩擦系数由0.04增大至0.15，随着摩擦时间的增加，未辐照样品的摩擦系数逐渐上升，辐照后样品的摩擦系数逐渐下降，二者越来越接近，在摩擦时间180 s时，未辐照和辐照后样品的摩擦系数分别为0.06和0.08。

图8 原子氧对Kapton薄膜真空摩擦性能的影响Fig. 8 Effect of atomic oxygen on friction behavior of Kapton film in high vacuum

图9 原子氧对PTFE真空摩擦性能的影响Fig. 9 Effect of atomic oxygen on friction behavior of PTFE film in high vacuum

3.3.2 紫外辐照对润滑材料真空摩擦性能的影响

图10和图11分别为紫外辐照前、后MoS2/PI粘结涂层和Kapton薄膜的摩擦系数对比图。经过紫外辐照60 h后，MoS2/PI粘结涂层的启动摩擦系数由辐照前的0.14增大至0.30，增大一倍多；平稳摩擦系数由辐照前的0.03增至0.23，增大近一个数量级。Kapton的启动摩擦系数由辐照前的0.10增大至 0.30，辐照后磨合期摩擦系数出现了接近0.40的极大值，然后稳定在0.30附近，而未辐照的样品在稳定段的摩擦系数为 0.15左右，二者相差约一倍。这说明紫外辐照导致上述两种材料的润滑性能明显退化。

图10 紫外辐照对MoS2/PI粘结涂层真空摩擦性能的影响Fig. 10 Effect of UV on friction behavior of MoS2/PI bonded coatings in high vacuum

图11 紫外辐照对Kapton薄膜真空摩擦性能的影响Fig. 11 Effect of UV on friction behavior of Kapton films in high vacuum

4 结束语

利用自行研制的 3个摩擦试验单元开展了几种固体材料的空间环境摩擦性能试验，试验结果发现：在真空环境中，PTFE、PI和离子镀Ag薄膜等材料的摩擦系数升高，MoS2/PI粘结涂层的摩擦系数减小。超高真空和高低温下，离子镀Ag薄膜的摩擦系数较室温下明显增大，溅射MoS2基复合润滑薄膜的摩擦系数变化范围很小。在原子氧和紫外辐照环境中，PI、Kapton、PTFE和MoS2/PI粘结涂层等材料辐照后的润滑性能均明显退化。试验结果表明空间环境是导致材料润滑性能退化的重要因素，应该继续开展深入、系统的研究，以便揭示材料摩擦性能变化的物理化学机制，为开发新型空间润滑材料提供理论参考。

（

）

[1] 中华人民共和国国务院新闻办公室. 中国的航天（白皮书）[M]. 北京, 2006

[2] 翁立军, 刘维民, 孙嘉奕, 等. 空间摩擦学的机遇和挑战[J]. 摩擦学学报, 2005, 25(1): 92

[3] 都亨, 叶宗海. 低轨道航天器空间环境手册[M]. 北京:国防工业出版社, 1996

[4] 于德洋, 翁立军. 空间机械润滑研究的发展现状[J].摩擦学学报, 1996, 16(1): 89

[5] Suzuki M, Obara S, Nogi T. Space tribology-state of the art[J]. Journal of the Surface Finishing Society of Japan, 2006, 57(9): 630

[6] Jones W R, Jr Jansen M J. Tribology for space applications[C]//Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers. Part J: Journal of Engineering Tribology. Professional Engineering Publishing, 2008, 222(8): 997

[7] Tagawa M, Yokota K, Matsumoto K, et al. Space environmental effects on MoS2and diamond-like carbon lubricating films: Atomic oxygen-induced erosion and its effect on tribological properties[J]. Surface and Coatings Technology, 2007, 202: 1003

[8] Koji Matsumoto, Masahito Tagawa, Masao Akiyama. Tribological characteristics of bonded MoS2film exposed to AO, UV and real LEO environment in SM/SEED experiment[C]//Proceedings of the 9thInternational Conference on Protection of Materials and Structures from Space Environment, 2009: 148

[9] 薛群基, 党鸿辛. 摩擦学研究的发展概况与趋势[J].摩擦学学报, 1993, 13(1): 73

[10] 于德洋, 薛群基. 空间摩擦学研究的前沿领域[J]. 摩擦学学报, 1997, 17(4): 380

[11] 刘维民, 薛群基. 摩擦学研究及发展趋势[J]. 中国机械工程, 2001, 11(1): 77

[12] 孙晓军. 空间摩擦学研究及其试验装置与数据库建设的思考[J]. 航天器环境工程, 2006, 23(1): 12