空間潤(rùn)滑脂的研究進(jìn)展

程亞洲，胡獻(xiàn)國(guó)，徐玉福，孫曉軍

（1．合肥工業(yè)大學(xué) 摩擦學(xué)研究所，合肥 230009；2．中國(guó)科學(xué)院 蘭州化學(xué)物理研究所 固體潤(rùn)滑國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州 730000）

0 引言

美國(guó)NASA 的研究表明，相當(dāng)比例的空間機(jī)械部件失效同潤(rùn)滑不當(dāng)有關(guān)[1]。因此，各種空間機(jī)械部件的長(zhǎng)期有效潤(rùn)滑對(duì)提高航天器使用壽命至關(guān)重要。由于空間潤(rùn)滑油容易揮發(fā)，不利于長(zhǎng)期潤(rùn)滑，所以在空間潤(rùn)滑劑發(fā)展的初期，主要使用的是固體潤(rùn)滑劑。但是固體潤(rùn)滑劑的油膜被破壞后很難恢復(fù)，而且其摩擦阻力較大，所消耗的能量也大[2]。

空間潤(rùn)滑脂為半固體狀潤(rùn)滑劑，可黏附在傾斜表面，甚至在垂直表面上不流失，而在外力作用下會(huì)發(fā)生形變和流動(dòng)，因此被廣泛應(yīng)用于空間機(jī)械潤(rùn)滑[3]。與在大氣環(huán)境中使用的潤(rùn)滑脂相比，空間用潤(rùn)滑脂除了要具備通常的性能之外，還需要具備低揮發(fā)性、優(yōu)良的高低溫性能以及良好的耐空間環(huán)境的能力[4]。

空間潤(rùn)滑脂在軌工作環(huán)境與地面不同，必須考慮高真空、高低溫、強(qiáng)輻射、原子氧和微重力等因素對(duì)潤(rùn)滑脂結(jié)構(gòu)和性能的影響[5]。本文主要從基礎(chǔ)油、稠化劑和添加劑等3 個(gè)方面介紹和分析空間潤(rùn)滑脂的發(fā)展現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)。

1 基礎(chǔ)油

基礎(chǔ)油是空間潤(rùn)滑脂不可缺少的液體組分，其在空間潤(rùn)滑脂中的質(zhì)量約占70%～90%，有些高達(dá)97%?？臻g潤(rùn)滑脂產(chǎn)品許多性能取決于基礎(chǔ)油的 性質(zhì)，因此討論空間潤(rùn)滑脂的發(fā)展應(yīng)首先從基礎(chǔ)油開(kāi)始。在過(guò)去的50年，基礎(chǔ)油的發(fā)展主要經(jīng)歷了精致礦物油、硅油、合成脂、全氟聚醚以及合成烴潤(rùn)滑油等[1]。近年來(lái)，離子液體作為新型空間潤(rùn)滑材料的基礎(chǔ)油受到很多研究者的關(guān)注[6]。

1.1 精致礦物油

精致礦物油與添加劑的相容性良好，在人類太空探索的早期被用作空間潤(rùn)滑脂的基礎(chǔ)油。20世紀(jì)60年代，礦物油曾作為主要的空間液體潤(rùn)滑劑用于航天器的動(dòng)量輪和反作用飛輪上。但是由于礦物油在真空中揮發(fā)性大、黏溫特性較差、凝點(diǎn)高，所以在空間應(yīng)用中逐漸被合成油取代。

1.2 硅油

硅油是一種液體聚硅氧烷，具有較低的蒸氣壓和凝點(diǎn)，化學(xué)穩(wěn)定性好，同時(shí)具有良好的黏溫特性和抗水解性，在太空探索中經(jīng)常被用作空間潤(rùn)滑基礎(chǔ)油[7]。但是硅油在接觸表面的爬行性和邊界潤(rùn)滑性能較差，明顯不如后來(lái)研發(fā)的全氟聚醚（PFPE）和聚α 烯烴（PAO）。硅油還容易在摩擦表面形成聚合物沉積，影響設(shè)備使用壽命[8]。因此，硅油作為空間設(shè)備的潤(rùn)滑劑具有一定的局限性。

1.3 合成脂

合成脂是目前合成潤(rùn)滑脂使用較多的一類基礎(chǔ)油，在空間潤(rùn)滑中有大量應(yīng)用。在20世紀(jì)70年代，合成脂被應(yīng)用在航天器的軸承和精密儀器上。美國(guó)NYE 公司生產(chǎn)的以脂類油為基礎(chǔ)油的UC7、UC9 等產(chǎn)品，符合MIL-L-83176 規(guī)范，在航天器上得到大量應(yīng)用。

合成脂具有優(yōu)良的潤(rùn)滑性能（含邊界潤(rùn)滑性能）和高低溫性能（凝點(diǎn)低，黏溫性能好），而且與添加劑有良好的相容性。但是其真空揮發(fā)性比較高，而且易吸水，水解穩(wěn)定性差。因此，在使用中需考慮它的水解和揮發(fā)性問(wèn)題。

1.4 全氟聚醚（PFPE）

全氟聚醚（PFPE）目前主要有Fomblin、Krytox和Demnum[9]3 個(gè)系列產(chǎn)品。它在空間機(jī)械上的潤(rùn)滑應(yīng)用已有幾十年的歷史，特別是在一些精度要求高的組件的潤(rùn)滑中得到了廣泛應(yīng)用[10]。

PFPE 具有很低的飽和蒸氣壓、突出的熱穩(wěn)定性、優(yōu)良的化學(xué)惰性，但是一般的抗磨損、抗氧化添加劑難以溶解于其中；而且在高于260 ℃時(shí)，PFPE 又容易與金屬發(fā)生反應(yīng)，尤其是在路易斯酸和AlCl3的催化作用下極易發(fā)生分解。

1.5 合成烴

20世紀(jì)90年代初，人們開(kāi)始了第三代液體空間潤(rùn)滑劑的開(kāi)發(fā)工作[3,11]，近年來(lái)，合成烴正在取代傳統(tǒng)的空間液體潤(rùn)滑劑[12]。第三代液體空間潤(rùn)滑劑主要指低揮發(fā)性合成烴油，包括聚α 烯烴（PAO）和多烷基環(huán)戊烷（MACs）等。

PAO 是目前產(chǎn)量居于首位的合成潤(rùn)滑劑，它具有使用溫度范圍寬、黏度指數(shù)高、蒸發(fā)損失小和高溫?zé)嵫趸€(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，在空間機(jī)械潤(rùn)滑領(lǐng)域常被用作空間潤(rùn)滑脂的基礎(chǔ)油。美國(guó)NYE 公司已生產(chǎn)出空間級(jí)的PAO 基潤(rùn)滑脂，如Rheolube733 和Rheolube733F，它們的使用溫度范圍是-54～125 ℃。國(guó)內(nèi)也已研制出以PAO為基礎(chǔ)油的空間級(jí)潤(rùn)滑脂[4]。

MACs 是一種新型的空間液體潤(rùn)滑劑。目前主要合成方法是以環(huán)戊二烯為起始原料，經(jīng)過(guò)烷基化和加氫以及提純等工藝制備而成。MACs 不僅具有優(yōu)異的黏溫性能、熱穩(wěn)定性和超低揮發(fā)性，而且添加劑相容性好，這使其在空間機(jī)械的潤(rùn)滑上有很廣闊的應(yīng)用前景[13-15]。

1.6 離子液體

劉維民、葉承峰[16-17]首次發(fā)現(xiàn)離子液體是一類性能優(yōu)異的多用途潤(rùn)滑劑。離子液體外觀看起來(lái)像水或甘油，具有以下獨(dú)特的理化性質(zhì)[18-19]：

1）極低的揮發(fā)性。即使在很高的溫度下，也不易揮發(fā)，可用于高真空環(huán)境。

2）液態(tài)溫度范圍廣。離子液體呈液態(tài)的溫度區(qū)間大都在300 ℃以上，穩(wěn)定性高，無(wú)臭，不可燃。

3）黏度大。常溫下是水黏度的幾十倍甚至上百倍。

4）溶解能力強(qiáng)。通過(guò)對(duì)陰陽(yáng)離子的設(shè)計(jì)可調(diào)節(jié)其對(duì)無(wú)機(jī)物、水、有機(jī)物及聚合物的溶解性，是很多化學(xué)反應(yīng)的優(yōu)良溶劑。

5）熔點(diǎn)低。離子液體的這些特性使其具備性能優(yōu)良的空間潤(rùn)滑劑的基本條件，將來(lái)有可能成為一種優(yōu)異的空間潤(rùn)滑脂基礎(chǔ)油。

2 稠化劑

稠化劑是潤(rùn)滑脂的重要組分，其質(zhì)量占比約為5%～30%。稠化劑可以將流動(dòng)的液體潤(rùn)滑油增稠成不流動(dòng)的半固體狀的潤(rùn)滑脂，它同基礎(chǔ)油一樣決定著潤(rùn)滑脂的一系列性能。從20世紀(jì)60年代至今，由于航空航天技術(shù)的發(fā)展，在空間潤(rùn)滑脂的研究工作中發(fā)展了許多種稠化劑，主要為復(fù)合鋰皂基脂、無(wú)機(jī)和有機(jī)稠化劑[20-21]。

2.1 復(fù)合鋰皂基稠化劑

復(fù)合鋰皂基潤(rùn)滑脂于1962年首次問(wèn)世[22]。從20世紀(jì)70年代初開(kāi)始，為了滿足日益增長(zhǎng)的市場(chǎng)需求，開(kāi)發(fā)了一系列復(fù)合鋰皂基脂，在冶金工業(yè)、汽車工業(yè)、軸承行業(yè)和航空航天領(lǐng)域被廣泛使用[23]。復(fù)合鋰皂基脂被公認(rèn)為最有發(fā)展前途的潤(rùn)滑脂品種之一。目前工業(yè)上最常用的是以12-羥基硬脂酸和壬二酸為基礎(chǔ)的復(fù)合鋰皂基脂，最早由美孚石油公司于1974年取得專利[24]。

復(fù)合鋰皂基脂具有良好的耐高溫性能，滴點(diǎn)一般大于260 ℃，更適合在高溫下使用。另外，它還具有良好的抗微動(dòng)磨損性能，適用于長(zhǎng)壽命軸承潤(rùn)滑，是一種通用、多效、長(zhǎng)壽命的潤(rùn)滑脂。復(fù)合鋰皂基稠化劑不僅對(duì)礦物油具有良好的稠化能力，而且對(duì)硅油、合成脂、全氟聚醚和聚α 烯烴等空間潤(rùn)滑基礎(chǔ)油均具有良好的稠化能力，并且與添加劑有很好的相容性，可以制備滿足空間機(jī)械潤(rùn)滑所需要的潤(rùn)滑脂。

2.2 無(wú)機(jī)稠化劑

膨潤(rùn)土屬于無(wú)機(jī)稠化劑，其相變溫度大于700 ℃，因此用它稠化合成的潤(rùn)滑脂具有良好的耐高溫性能。膨潤(rùn)土潤(rùn)滑脂沒(méi)有滴點(diǎn)，在高溫下，其稠度比所有復(fù)合皂基脂都高。另外，膨潤(rùn)土潤(rùn)滑脂還具有較好的膠體穩(wěn)定性、剪切穩(wěn)定性和抗水解性。在航空航天領(lǐng)域，膨潤(rùn)土可以作為飛機(jī)輪軸承潤(rùn)滑脂和密封潤(rùn)滑脂的稠化劑[25-27]。

膨潤(rùn)土潤(rùn)滑脂的缺點(diǎn)主要是對(duì)添加劑的相容性較差，特別是對(duì)抗磨極壓劑，同時(shí)其中摻雜有難以除掉的很細(xì)的砂粒，工作時(shí)噪聲較大，不適用于低噪聲軸承的潤(rùn)滑。

2.3 有機(jī)稠化劑

聚四氟乙烯（PTFE）是20世紀(jì)70年代起發(fā)展而成的一種新型稠化劑。做稠化劑時(shí)，一般要求其相對(duì)分子質(zhì)量為1000～50 000，粒度小于10 μm。用聚四氟乙烯作稠化劑制備的潤(rùn)滑脂具有以下優(yōu)點(diǎn)[28-30]：

1）優(yōu)良的耐高低溫性能。PTFE 具有良好的熱穩(wěn)定性，其調(diào)聚物在300 ℃開(kāi)始分解，而其均聚物到380 ℃才開(kāi)始分解。因此PTFE 稠化的潤(rùn)滑脂在高溫下具有較長(zhǎng)的使用壽命，而且其低溫啟動(dòng)性和運(yùn)轉(zhuǎn)力矩都比復(fù)合鋰皂基脂和聚脲基潤(rùn)滑脂低。用PTFE 稠化低苯基含量的甲苯基硅油可用于-80 ℃超低溫環(huán)境。

2）良好的潤(rùn)滑性能。PTFE 本身就是固體潤(rùn)滑劑，低速下的摩擦系數(shù)為0.04～0.06，比石墨和二硫化鉬的摩擦系數(shù)還小。

3）良好的化學(xué)惰性。PTFE 與火箭燃料和酸堿等都不反應(yīng)，幾乎與所有的溶劑和油品不起作用。因此，用PTFE 作稠化劑的潤(rùn)滑脂是航空、航天工業(yè)必不可少的一類潤(rùn)滑脂。

4）運(yùn)動(dòng)壽命長(zhǎng)。在高溫條件下，PTFE 作稠化劑的潤(rùn)滑脂在軸承上結(jié)焦很少。用PTFE 作稠化劑的全氟聚醚潤(rùn)滑脂潤(rùn)滑204 軸承，在軸承外環(huán)溫度達(dá)250 ℃，轉(zhuǎn)速為600 r/min 的條件下，運(yùn)轉(zhuǎn)壽命達(dá)1000 h 以上；而用脲基潤(rùn)滑脂的話，同樣條件下，軸承的運(yùn)動(dòng)壽命僅為500 h。

因此，聚四氟乙烯作稠化劑的潤(rùn)滑脂可適用在特別苛刻的環(huán)境下工作設(shè)備的潤(rùn)滑，已經(jīng)成為航空、航天和原子能工業(yè)的主要潤(rùn)滑脂[31]。

3 添加劑

在低地球軌道空間環(huán)境中，原子氧的氧化性非常強(qiáng)[32]。為了提高空間潤(rùn)滑脂抗氧化性，除了使用抗氧化性能好的基礎(chǔ)油和稠化劑外，還需向潤(rùn)滑脂中加入抗氧化添加劑。此外，空間潤(rùn)滑脂抗氧劑還需要具有較低的真空揮發(fā)性和抗紫外輻照等性能。

在潤(rùn)滑脂中添加極壓抗磨劑（即在空間潤(rùn)滑脂中加入一些固體潤(rùn)滑小顆粒）是提高其潤(rùn)滑壽命的重要手段[33]。石墨、二硫化鉬（MoS2）、二硫化鎢（WS2）都曾作為空間固體潤(rùn)滑材料在航天器上得到大量應(yīng)用，但近年來(lái)，人們開(kāi)始研究將這些潤(rùn)滑材料的小顆粒添加到潤(rùn)滑油脂中，以提高潤(rùn)滑油脂的減摩抗磨性能[34-36]。

3.1 MoS2 添加劑

MoS2是一種非常優(yōu)秀的固體潤(rùn)滑劑，被譽(yù)為“固體潤(rùn)滑之王”，在工業(yè)上的應(yīng)用已有近百年的歷史[37]。MoS2在高真空、強(qiáng)輻射及高低溫等苛刻環(huán)境中仍表現(xiàn)出優(yōu)良的潤(rùn)滑性能，被廣泛地應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域。由于有高承載能力、強(qiáng)吸附性與低摩擦系數(shù)，MoS2作為潤(rùn)滑油脂的添加劑可以顯著地提高潤(rùn)滑油脂的極壓、減摩與抗磨性能。Risdon[38]將MoS2添加到多種潤(rùn)滑脂中，發(fā)現(xiàn)當(dāng)添加量為3%時(shí)能顯著改善潤(rùn)滑脂的承載能力和抗磨性能，且對(duì)潤(rùn)滑脂的氧化性及腐蝕性無(wú)影響。Drury[39]的研究報(bào)道：在低速振動(dòng)條件下，加入大粒徑MoS2的潤(rùn)滑脂其摩擦性能更好；而在高速滑動(dòng)下，加入小粒徑 MoS2的潤(rùn)滑脂摩擦性能更優(yōu)。Hafner[40]和Muller[41]的研究報(bào)道：MoS2潤(rùn)滑脂在摩擦腐蝕條件下能表現(xiàn)出優(yōu)異的減摩和抗磨性能，特別適用于多灰塵、強(qiáng)振動(dòng)的摩擦環(huán)境。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)納米顆粒用作潤(rùn)滑油脂添加劑方面進(jìn)行了大量的研究，研究涉及納米顆粒的制備及其摩擦學(xué)特性、摩擦學(xué)機(jī)理。納米MoS2比表面積極大，在摩擦表面的附著力明顯增強(qiáng)，通常具有比微米MoS2更為優(yōu)異的摩擦學(xué)性能[42-44]。Rapoport 等[45]的研究表明，在復(fù)合鋰皂基潤(rùn)滑脂中添加自制納米MoS2后，其摩擦性能明顯優(yōu)于微米MoS2的復(fù)合鋰皂基潤(rùn)滑脂，并且承載能力也增大。桑瑞鵬、周暉等[46]評(píng)價(jià)了添加納米MoS2的油脂潤(rùn)滑材料在輻照前后的摩擦學(xué)特性和化學(xué)特性，結(jié)果表明：在PFPE 基潤(rùn)滑脂中添加納米MoS2顆粒，可以在保證其耐空間輻照性能的同時(shí)改善其摩擦性能。胡坤宏等[47]曾將MoS2納米片、MoS2納米球和微米MoS2分別添加到液體石蠟中，發(fā)現(xiàn)添加納米MoS2的液體石蠟的潤(rùn)滑性能明顯好于添加微米MoS2的，且MoS2納米片在高速運(yùn)轉(zhuǎn)下的潤(rùn)滑性能最好。

MoS2還是一種既耐高溫（800 ℃）又耐低溫 （-253 ℃）的固體潤(rùn)滑材料，在真空中具有很小的揮發(fā)速率，對(duì)周圍環(huán)境無(wú)污染[48]。因此，開(kāi)展通過(guò)添加MoS2小顆粒對(duì)空間潤(rùn)滑脂的改性研究具有重要的意義。

3.2 WS2 添加劑

WS2是一種新型固體潤(rùn)滑劑，最初僅限于航天、航空和其他國(guó)防工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用。1984年，由美國(guó)MSC 公司開(kāi)始將WS2潤(rùn)滑技術(shù)引入一般工業(yè)領(lǐng)域中。由于WS2層內(nèi)是金屬W 原子與S 原子以強(qiáng)共價(jià)鍵結(jié)合，而WS2層間是以較弱的范德華力結(jié)合，因此在用作固體潤(rùn)滑劑和液體潤(rùn)滑劑的添加劑時(shí)，具有非常小的摩擦系數(shù)。此外，WS2在高真空、高低溫交變、強(qiáng)輻射、原子氧和微重力等惡劣條件下依然具有優(yōu)異的潤(rùn)滑性能。近年來(lái)，毛大恒等人[36,49-51]嘗試著把WS2固體顆粒細(xì)化，然后加入到潤(rùn)滑油脂中，發(fā)現(xiàn)WS2固體小顆粒在潤(rùn)滑油脂中具有明顯的減摩抗磨效果。該作用的發(fā)揮機(jī)制值得深入研究。

4 結(jié)束語(yǔ)

我國(guó)在長(zhǎng)壽命多效空間潤(rùn)滑脂方面的研究取得了一定的進(jìn)展，但與國(guó)外相比仍有很大差距，特別是在高滴點(diǎn)、長(zhǎng)壽命以及低揮發(fā)的空間潤(rùn)滑脂方面。相信在新的航天任務(wù)需求牽引下，隨著我國(guó)科研投入力度的加大，會(huì)不斷涌現(xiàn)出達(dá)到世界領(lǐng)先水平的空間用潤(rùn)滑脂產(chǎn)品。

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