空間摩擦學(xué)及其材料的研究進(jìn)展

鐘愛文， 姚萍屏， 肖葉龍， 周海濱， 貢太敏

(中南大學(xué) 粉末冶金國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長沙410083)

空間摩擦學(xué)及其材料的研究進(jìn)展

鐘愛文， 姚萍屏， 肖葉龍， 周海濱， 貢太敏

(中南大學(xué) 粉末冶金國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長沙410083)

綜述了空間苛刻服役環(huán)境及其對(duì)空間摩擦學(xué)材料性能影響的研究，深入分析了空間環(huán)境對(duì)空間摩擦材料、空間耐磨材料和空間減摩材料摩擦磨損機(jī)理的影響?？臻g摩擦材料主要應(yīng)用于空間對(duì)接機(jī)構(gòu)及空間機(jī)械臂中，應(yīng)具有穩(wěn)定的摩擦力矩與優(yōu)良的抗黏著磨損性能。空間耐磨材料主要應(yīng)用于空間軸承、齒輪和密封件等部件中，如Fe-Al金屬間化合物在高溫下抗蠕變性急劇下降，常通過添加金屬元素(Ce，Cr，Mn，Mo，Nb，W等)及固體潤滑劑提高材料抗蠕變性能；Ti及其合金常通過表面改性改善黏著性；與基體結(jié)合性良好的耐磨涂層可以較大程度的改善材料的耐磨性?？臻g減摩材料主要指潤滑劑與自潤滑材料，如軟金屬Pb、高分子材料PI和PTFE等，以及某些金屬的氧化物，氟化物和硫化物等，能較好地降低材料表面的摩擦因數(shù)。隨著航天科技的發(fā)展，亟須開發(fā)新型高性能空間摩擦學(xué)材料，建立摩擦學(xué)材料數(shù)據(jù)庫，以應(yīng)對(duì)國際航天技術(shù)發(fā)展的挑戰(zhàn)。

摩擦學(xué)材料；空間環(huán)境；摩擦；耐磨；減摩

空間運(yùn)載機(jī)構(gòu)(運(yùn)載火箭等)和飛行器(人造地球衛(wèi)星、載人飛船、空間站、空間探測(cè)器等)中部分材料在相對(duì)運(yùn)動(dòng)過程中將產(chǎn)生摩擦磨損，與地面應(yīng)用相比較，空間環(huán)境具有高真空、高輻照以及高低溫交變等特點(diǎn)，材料在摩擦磨損過程中具有其特殊性，需要開展針對(duì)性的研究，從而誕生了空間摩擦學(xué)。

空間各類運(yùn)動(dòng)部件是空間摩擦學(xué)的主要研究對(duì)象，如：太陽能電池板和天線的展開與鎖定裝置以及自鎖與反自轉(zhuǎn)裝置、空間對(duì)接機(jī)構(gòu)離合制動(dòng)器、空間機(jī)械臂傳動(dòng)軸、空間自潤滑諧波減速器、滑環(huán)、軸承和齒輪等。具備不同功能的空間機(jī)構(gòu)對(duì)材料摩擦磨損性能的要求存有差異，其中，空間對(duì)接機(jī)構(gòu)中的離合制動(dòng)器和空間機(jī)械臂中的傳動(dòng)軸等利用材料之間的摩擦效應(yīng)來傳遞能量，實(shí)現(xiàn)制動(dòng)與離合，而軸承、齒輪、凸輪、軸承密封裝置和滑環(huán)等應(yīng)極力降低材料的摩擦和磨損，盡可能減小因摩擦導(dǎo)致的能量損失及表面損壞，使系統(tǒng)維持一個(gè)穩(wěn)定的摩擦過程，為長期實(shí)現(xiàn)高精度和可控的運(yùn)動(dòng)過程提供保障。

空間應(yīng)用中涉及摩擦磨損的材料，統(tǒng)稱為空間摩擦學(xué)材料。與傳統(tǒng)摩擦學(xué)材料相比，空間摩擦學(xué)材料在空間苛刻服役工況下(高真空、原子氧、微重力、宇宙射線和高低溫等)的摩擦磨損行為復(fù)雜。例如：空間旋轉(zhuǎn)部件用潤滑材料在交變溫度及輻射等復(fù)雜環(huán)境中需保持優(yōu)良潤滑性能，以保證系統(tǒng)定位和換位精度及使用壽命要求；大型展開式定向和跟蹤天線的鉸鏈材料在宇宙射線及原子氧的直接轟擊下應(yīng)仍能保持較低摩擦因數(shù)；高真空中，太陽能電池板伸縮部件(收放與自鎖等功能)及門閂用材料需抗高真空冷焊；空間機(jī)械臂的變速箱和傳感器連接部件在艙外高低溫交變環(huán)境下服役，其軸承、齒輪等材料需無脆性與蠕變性，且潤滑劑保持可靠的潤滑性。

在空間技術(shù)發(fā)展過程中，由于對(duì)相關(guān)空間摩擦學(xué)及其材料研究不充分可能導(dǎo)致重大事故的發(fā)生。圖1列舉了部分由于摩擦學(xué)材料/部件失效而引發(fā)的航天事故，如“哥倫比亞號(hào)”航天飛機(jī)與大氣間的高速摩擦產(chǎn)生過度高溫使得機(jī)外隔熱瓦受損而解體墜毀，因此，空間摩擦學(xué)及其材料對(duì)航天事業(yè)的發(fā)展至關(guān)重要。

為了解決空間摩擦學(xué)及其摩擦學(xué)材料問題，美國國家航空航天局(NASA)、歐洲空間局(ESA)、日本航空與航天發(fā)展局(NASDA)以及俄羅斯宇航局(RKA)等均建立了比較完善的空間摩擦學(xué)及其材料的研究機(jī)構(gòu)，開展了較深入和系統(tǒng)的基礎(chǔ)研究。我國航天事業(yè)起步較晚，雖然自21世紀(jì)以來，我國空間摩擦學(xué)及其材料的研究發(fā)展迅速，但仍與航天強(qiáng)國存在差距。本文從空間摩擦學(xué)材料的苛刻服役環(huán)境總結(jié)著手，概述空間服役環(huán)境對(duì)空間摩擦學(xué)及摩擦學(xué)材料性能影響方面的研究成果，闡述空間摩擦學(xué)及其材料的發(fā)展趨勢(shì)，為更深入探索空間摩擦學(xué)尤其是空間摩擦學(xué)材料提供研究指導(dǎo)。

圖1 苛刻服役環(huán)境下由摩擦學(xué)問題而引起的航天事故Fig.1 Shuttle accidents caused by tribology in harsh service environment

1 空間苛刻服役環(huán)境

空間摩擦學(xué)材料通常部分或全部經(jīng)歷地面試驗(yàn)、地面存儲(chǔ)、運(yùn)輸發(fā)射、太空運(yùn)行和返回等過程，其工作環(huán)境復(fù)雜且多變，在軌運(yùn)行期間，不同高度軌道處的空間環(huán)境不同。在低軌道環(huán)境中，強(qiáng)侵蝕性的高活性原子氧通量密度較高，易導(dǎo)致材料氧化失效等；而在高軌道上，超高真空、微重力、劇烈溫度交變和強(qiáng)輻射等惡劣條件將導(dǎo)致材料損傷甚至破壞，如高真空和高溫會(huì)導(dǎo)致接觸界面發(fā)生黏著，加劇材料磨損。空間環(huán)境下的各種惡劣因素往往會(huì)產(chǎn)生協(xié)同作用，加速摩擦學(xué)材料破壞，如圖1中“鑫諾2號(hào)”衛(wèi)星因諧波減速器潤滑不良而導(dǎo)致太陽能電池板和天線的展開失敗。因此，要保證空間摩擦學(xué)材料在空間苛刻服役條件下的正常使用，就必須闡明各環(huán)境因素及多重環(huán)境因素對(duì)材料摩擦磨損性能的影響機(jī)理。

1.1 高真空

航天器距離地球表面越遠(yuǎn)，其所處的真空度(量級(jí))越高。在高真空條件下，材料表面摩擦膜再生困難[1]，摩擦表面易形成原子結(jié)合，導(dǎo)致接觸面間黏著，摩擦因數(shù)顯著增加，最終導(dǎo)致凸點(diǎn)處可能發(fā)生冷焊，材料剝落和轉(zhuǎn)移，摩擦表面粗糙度增加，磨損加劇。

在高真空中，摩擦副間的熱對(duì)流基本消失，摩擦熱主要以熱輻射與摩擦副間的熱傳導(dǎo)進(jìn)行散失且散失困難，致使摩擦表面局部溫升快，溫度高，加劇冷焊現(xiàn)象的發(fā)生。如空間金屬-陶瓷摩擦副中，金屬的延展性優(yōu)于陶瓷，摩擦生熱使得金屬產(chǎn)生塑性變形，金屬-金屬鍵斷裂，裂紋萌生擴(kuò)展，最終金屬在剪切力作用下被撕裂，向陶瓷表面轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致冷焊的發(fā)生[1]。

空間摩擦副在高真空條件下的間歇操作與小角度擺動(dòng)(微振磨損)同樣易導(dǎo)致材料發(fā)生冷焊。在間歇操作中，預(yù)載荷增大或靜止時(shí)間延長，特別是動(dòng)靜摩擦轉(zhuǎn)換過程中，冷焊傾向加??；微振磨損對(duì)材料產(chǎn)生的損傷破壞較一般的太空外來沖擊更嚴(yán)重。

高真空對(duì)固體潤滑劑的性能也產(chǎn)生較大影響，如滑環(huán)之類的摩擦副材料中一般添加石墨(固體潤滑劑)，而石墨易因高真空而失去水分，破壞層狀結(jié)構(gòu)，失去潤滑性，進(jìn)而加劇材料磨損，產(chǎn)生的磨粒將破壞導(dǎo)電通路。石墨與MoS2等潤滑劑的磨損率隨氣壓降低而增大，而聚四氟乙烯(PTFE)卻始終保持穩(wěn)定的摩擦學(xué)性能。

1.2 原子氧

低軌道殘余大氣中80%的成分為原子氧(AO)，其通量密度與距離地面高度間的關(guān)系如圖2所示[2]。由圖可知，低軌道運(yùn)行的空間機(jī)構(gòu)一直處于高通量原子氧環(huán)境中，這將對(duì)暴露在艙外的空間機(jī)構(gòu)(如艙外機(jī)械臂和太陽能電池板展開機(jī)構(gòu))的摩擦部件產(chǎn)生較大影響。

圖2 低軌道原子氧通量(量級(jí))與高度之間的關(guān)系[2]Fig.2 Relationship between low orbit atomic oxygen flux and height[2]

在低軌道10-5Pa量級(jí)壓強(qiáng)下，高能量和強(qiáng)氧化性的原子氧攜5.3 eV的動(dòng)能與摩擦學(xué)材料表面高速碰撞，高通量原子氧的碰撞動(dòng)能總和相當(dāng)于幾千度的高溫，引起材料表面高溫氧化，導(dǎo)致材料表面發(fā)生嚴(yán)重侵蝕、質(zhì)量損失、尺寸不穩(wěn)定及性能退化等現(xiàn)象，尤其對(duì)部分有機(jī)材料破壞更為嚴(yán)重[3]。原子氧破壞性強(qiáng)，除了氧化物及Au以外，絕大多數(shù)潤滑劑在原子氧中的壽命都不超過10年。

1.3 微重力

空間微重力環(huán)境(10-3～10-6g)下，液體靜壓力消失，表面張力被束縛，自然對(duì)流基本消除，浸潤和毛細(xì)現(xiàn)象加劇，靠重力循環(huán)進(jìn)給潤滑油的作用將消失。在微重力環(huán)境中，重力與其他作用力(電磁力，慣性力，表面張力等)相比較小，因此，摩擦副的受力分布與地面完全不同，航天機(jī)構(gòu)易受摩擦力矩?cái)_動(dòng)而發(fā)生抖動(dòng)，尤其是末端抖動(dòng)效應(yīng)更加明顯，所以空間摩擦副必須具有較穩(wěn)定的摩擦因數(shù)(摩擦力矩)，否則將嚴(yán)重影響精密光機(jī)電設(shè)備和定向機(jī)構(gòu)的速度與位置精確控制，甚至對(duì)航天器對(duì)接與分離、太陽電池陣與天線展開等產(chǎn)生不利影響。

1.4 宇宙射線

在太空中，航天器及其零部件受到宇宙產(chǎn)生的各種電磁輻射(γ射線、X射線和紫外線輻射等)和粒子輻射(高能電子、質(zhì)子、太陽風(fēng)等)的直接照射，分別對(duì)摩擦學(xué)材料造成侵蝕與沖擊破壞。

宇宙射線易使有機(jī)潤滑油降解，因而，在長期服役的空間摩擦學(xué)材料中，一般采用固體潤滑劑替代有機(jī)潤滑油，但部分固體潤滑劑對(duì)宇宙射線也比較敏感。如，在宇宙射線照射下，石墨易產(chǎn)生各向異性膨脹，降低了材料的摩擦學(xué)穩(wěn)定性[4]；有機(jī)潤滑材料的尺寸穩(wěn)定性與機(jī)械性能易改變，失去原本的潤滑性能。

因而，為有效降低宇宙輻射對(duì)空間摩擦學(xué)材料的損傷，需了解空間機(jī)構(gòu)活動(dòng)部件用摩擦學(xué)材料所能承受的射線種類、強(qiáng)度及累積劑量，以研制抗輻射性能更優(yōu)的摩擦學(xué)材料，此外，也可采用屏蔽防護(hù)措施來減輕空間摩擦副的損傷，從而更好地完成空間任務(wù)。

1.5 高低溫環(huán)境

空間摩擦學(xué)材料所處的溫度環(huán)境一般分為三種：高溫環(huán)境、低溫環(huán)境與交變溫度環(huán)境。

1)高溫環(huán)境與低溫環(huán)境

空間摩擦學(xué)材料常見的高溫與低溫服役環(huán)境如表1所示[5]。在高真空下，摩擦學(xué)材料服役產(chǎn)生的熱量難以散失，再疊加所處高溫環(huán)境的熱量，致使空間高溫用軸承和齒輪等對(duì)材料的抗蠕變性能及其潤滑劑的耐高溫性能要求更高；在低溫環(huán)境中，空間固體摩擦學(xué)材料易產(chǎn)生脆性，且絕大部分潤滑油已達(dá)到傾點(diǎn)，失去潤滑性，需采用固體潤滑劑替代，如空間望遠(yuǎn)鏡中的濾光轉(zhuǎn)換裝置、齒輪傳動(dòng)裝置及軸上的滾珠軸承等常使用MoS2(固體潤滑劑)進(jìn)行潤滑。

2)交變溫度環(huán)境

航天器在軌運(yùn)行期間反復(fù)進(jìn)出地球陰影，溫度交替變化范圍寬，且隨軌道高度(如低地球軌道-160～+120 ℃)和季節(jié)等變化而變化，劇烈的溫度變化對(duì)空間摩擦學(xué)材料的性能產(chǎn)生較大影響。在低地球軌道中，運(yùn)行周期為90 min，工作壽命為30年的航天器，將承受17500次左右的熱循環(huán)，這種長期的熱循環(huán)使材料內(nèi)部累計(jì)大量熱應(yīng)力，易發(fā)生疲勞磨損。特別是復(fù)合材料，當(dāng)其增強(qiáng)物與基體間 的熱膨脹系數(shù)失配時(shí)，材料內(nèi)部的熱應(yīng)力誘發(fā)基體微裂紋萌生擴(kuò)展[6-7]，導(dǎo)致材料破壞。對(duì)此，常采用合理的熱膨脹系數(shù)匹配來降低溫差變化對(duì)空間摩擦學(xué)材料性能的影響，進(jìn)而提高材料的熱穩(wěn)定性與抗溫度變形能力。

表1 空間常見的高、低溫環(huán)境

2 空間摩擦學(xué)材料

傳統(tǒng)摩擦學(xué)材料在空間極端復(fù)雜環(huán)境下易產(chǎn)生冷焊、熱疲勞和表面侵蝕等破壞，地面優(yōu)良的摩擦學(xué)性能得不到發(fā)揮，無法滿足空間環(huán)境的使用需求，強(qiáng)烈制約著航天事業(yè)的發(fā)展，因此，隨著研究的不斷深入，大量新型空間摩擦學(xué)材料不斷被研制與開發(fā)。

2.1 空間摩擦材料

空間摩擦材料常用于空間機(jī)構(gòu)的制動(dòng)與離合，對(duì)空間任務(wù)的完成起關(guān)鍵作用，如空間機(jī)械臂傳動(dòng)裝置與空間對(duì)接機(jī)構(gòu)用摩擦材料。

1)空間機(jī)械臂用摩擦材料

在太空中，艙外機(jī)械臂具有抓取空間設(shè)備和在軌加注等功能，其臂桿長一般在10 m左右，負(fù)載質(zhì)量大(十幾噸到上百噸不等)，末端允許的制動(dòng)距離不超過1 m，其服役時(shí)間為10年左右，這要求制動(dòng)器摩擦副或諧波齒輪傳動(dòng)減速器(簡稱諧波減速器)摩擦材料具有低磨損率、高而穩(wěn)定的摩擦因數(shù)和長的使用壽命。機(jī)械臂用摩擦材料需克服苛刻的使用環(huán)境：Viking lander號(hào)可伸縮型、MPL& PHX多關(guān)節(jié)型、Beagle 和MSL等機(jī)械臂在低溫下使用，需保證摩擦材料本身無脆性；火星探測(cè)器中的噴氣推進(jìn)遙感轉(zhuǎn)向節(jié)等機(jī)械臂的使用溫度較高[5]，摩擦材料應(yīng)具有抗蠕變與耐高溫性能。

目前，傳統(tǒng)機(jī)械臂用摩擦材料難以滿足空間苛刻的使用需求。NASA研究表明：航天飛機(jī)機(jī)械臂關(guān)節(jié)制動(dòng)器石棉/酚醛樹脂摩擦副雖能滿足地面試驗(yàn)性能要求，但在空間條件下的制動(dòng)性能大幅衰減[8]，且酚醛樹脂等有機(jī)復(fù)合摩擦材料受強(qiáng)輻照后易發(fā)生交聯(lián)、聚合和斷鏈而失效[9]。而空間機(jī)械臂用陶瓷摩擦材料在地面模擬試驗(yàn)下，通過調(diào)整制動(dòng)片間隙可以使關(guān)節(jié)制動(dòng)器功率始終保持在1 W穩(wěn)定展開，但其空間使用性能指標(biāo)是否達(dá)標(biāo)尚待驗(yàn)證[10-11]。對(duì)于銅基粉末冶金摩擦副，其在機(jī)械臂運(yùn)作過程中能抗制動(dòng)沖擊，但受制動(dòng)距離的限制：制動(dòng)距離過短，短時(shí)制動(dòng)力矩升高，臂桿抖動(dòng)；制動(dòng)距離過長，機(jī)械臂易與航天器發(fā)生碰撞，因此，在苛刻服役環(huán)境下，合適而穩(wěn)定的摩擦因數(shù)及低的磨損率成為空間機(jī)械臂用摩擦材料的關(guān)鍵要求，機(jī)械臂及其相應(yīng)的摩擦副材料如圖3所示，摩擦副裝在圖3(a)的A中。

圖3 空間機(jī)械臂模擬圖(a)及其相應(yīng)的摩擦副材料(b)Fig.3 Space manipulator simulated image (a) and friction pairs (b)

2)空間對(duì)接用摩擦材料

運(yùn)載火箭的運(yùn)輸能力有限，構(gòu)建大型空間工作站必須依靠空間對(duì)接的方式來完成?？臻g對(duì)接裝置是航天器與航天器或空間站交匯對(duì)接的關(guān)鍵部件之一，直接關(guān)系到對(duì)接的成敗。如“異體同構(gòu)式”對(duì)接機(jī)構(gòu)摩擦材料應(yīng)具有：航天器接近時(shí)的減速制動(dòng)、傳動(dòng)及過載保護(hù)，航天器脫離時(shí)的反推離合及對(duì)接碰撞時(shí)的緩沖耗能等功能[12-15]，而發(fā)達(dá)國家對(duì)此技術(shù)高度封鎖，所以對(duì)此類材料的相關(guān)報(bào)道甚少，這種對(duì)接機(jī)構(gòu)及其相應(yīng)的摩擦副材料如圖4所示，其中，圖4(a)中A為對(duì)接機(jī)構(gòu)的離合制動(dòng)器，摩擦副安裝在A中。

目前，中南大學(xué)研制的空間對(duì)接用摩擦材料已處于應(yīng)用階段，主要采用銅基粉末冶金摩擦材料，其一般由基體組元、摩擦組元和潤滑組元構(gòu)成。其中，MoS2是一種優(yōu)異的潤滑組元，具有較好的潤滑作用[16-18]。MoS2在還原性氣氛甚至惰性氣氛中燒結(jié)會(huì)發(fā)生復(fù)雜的分解，如空間用銅基粉末冶金摩擦材料在燒結(jié)前后MoS2的變化(如圖5所示)，硫化產(chǎn)物往往具有與MoS2相似的結(jié)構(gòu)與潤滑特性[12]，同時(shí)生成能提高材料摩擦因數(shù)的硬脆相。隨著摩擦組元的增多，潤滑組元的減少，材料的摩擦因數(shù)與硬度逐漸提高，摩擦表面光滑平整，提高了材料的摩擦穩(wěn)定性，但是過多的硬脆相往往會(huì)使材料表面產(chǎn)生過多微裂紋，磨損加劇[16]。

圖4 空間對(duì)接機(jī)構(gòu)(a)及其相應(yīng)的摩擦副材料(b)Fig.4 Spatial docking system (a) and friction pairs (b)

圖5 空間用銅基粉末冶金摩擦材料燒結(jié)前后的XRD譜 (a)燒結(jié)前；(b)燒結(jié)后Fig.5 XRD spectrum of copper based powder metallurgy friction material used in space (a) before sintering; (b) after sintering

空間對(duì)接用銅基粉末冶金摩擦副，首次在滿足空間對(duì)接功能和環(huán)境的要求下，能在預(yù)定的分離軸上實(shí)現(xiàn)對(duì)接機(jī)構(gòu)的可控釋放與分離。此材料可以隨外界條件的變化能動(dòng)地調(diào)節(jié)摩擦副的摩擦學(xué)性能，受空間惡劣環(huán)境影響較小，具有導(dǎo)熱性優(yōu)良、耐磨性好、摩擦因數(shù)高、對(duì)對(duì)偶零件的磨損小，且無論在大氣還是真空環(huán)境下的摩擦磨損性能均比較穩(wěn)定等特點(diǎn)，因?yàn)樵诓煌婵斩认?，摩擦表面形成不同的摩擦膜，?duì)材料的摩擦磨損性能產(chǎn)生重要影響，如圖6所示。在大氣環(huán)境下，材料表面形成氧化膜(摩擦膜)[19]；而在高真空環(huán)境下，空氣介質(zhì)從摩擦表面解吸，摩擦膜(主要由石墨和金屬硫化物等構(gòu)成)的抗剪切能力較弱，易滑移，產(chǎn)生良好的潤滑作用，摩擦副的摩擦因數(shù)較低且穩(wěn)定，隨著真空度的降低，材料的摩擦因數(shù)減小(如圖6所示)，磨損量先降低后增加，磨損機(jī)理由以磨粒磨損為主轉(zhuǎn)變?yōu)橐责ぶp為主[20]。

銅基粉末冶金摩擦材料在不同工作壓力和速度下服役時(shí)，具有穩(wěn)定的摩擦力矩與優(yōu)良的抗黏著磨損性能，保證了飛行器對(duì)接的安全，使我國成為能提供對(duì)接機(jī)構(gòu)摩擦副材料的國家之一。此摩擦副已成功應(yīng)用于神舟八號(hào)、九號(hào)、十號(hào)載人飛船與“天宮一號(hào)”太空實(shí)驗(yàn)艙的在軌自動(dòng)和手動(dòng)交會(huì)對(duì)接機(jī)構(gòu)與轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)中，不僅標(biāo)志著我國在多功能空間摩擦副材料的研制方面的突破，更填補(bǔ)了國內(nèi)這一技術(shù)領(lǐng)域的空白。

圖6 空間用銅基粉末冶金摩擦材料的摩擦磨損性能 隨壓力的變化[13] (a)摩擦因數(shù);(b)磨損量; (c)摩擦因數(shù)穩(wěn)定度Fig.6 Relationship between pressure and tribologcal performance of copper based powder metallurgy friction material (a)friction coefficient; (b)wear loss;(c)stable coefficient

隨著我國航天技術(shù)的不斷發(fā)展，預(yù)計(jì)在2020年我國將完成空間站的初步建設(shè)，空間站的建設(shè)需要貨運(yùn)飛船提供物資補(bǔ)給，因而空間重載條件下的對(duì)接將對(duì)原有的空間用銅基粉末冶金摩擦材料提出更高的要求。與對(duì)接機(jī)構(gòu)相比，空間機(jī)械臂的工作頻率高、在軌服役時(shí)間長及工作負(fù)荷大等苛刻工況特點(diǎn)，對(duì)摩擦材料的使用壽命及可靠性提出了更高要求。因此，在接下來的研究工作中，需研制滿足空間重載條件下新型空間摩擦材料，并對(duì)其使用壽命及安全可靠性進(jìn)行評(píng)估，使航天任務(wù)得以順利實(shí)施。

2.2 空間耐磨材料

在空間惡劣環(huán)境下，空間軸承、齒輪和密封件等用空間耐磨材料需具有優(yōu)良的耐磨性，同時(shí)耐磨涂層的使用延長了材料的使用壽命，以保證空間機(jī)構(gòu)長期穩(wěn)定工作。

2.2.1 耐磨材料

1)Fe-Al金屬間化合物

Fe3Al金屬間化合物擁有密度小、彈性模量高、耐腐蝕、抗氧化以及成本低等優(yōu)點(diǎn)，近年來的研究證明Fe3Al是一種潛在的空間耐磨材料。但Fe3Al金屬間化合物具有致命的缺陷，當(dāng)溫度達(dá)到600 ℃時(shí)，材料的強(qiáng)度與抗蠕變性急劇下降，降至室溫時(shí)材料具有脆性，這都妨礙材料的發(fā)展與應(yīng)用[21]。為改善材料在空間環(huán)境中的性能，常在材料中添加Ce，Cr，Mn，Mo，Nb，W等元素[22]及部分固體潤滑劑，在明顯改善材料組織性能的同時(shí)，提高了材料的摩擦磨損性能。如，經(jīng)過熱壓燒結(jié)后含WS2(固體潤滑劑)的Fe-28Al-5Cr基復(fù)合材料在真空條件下的摩擦因數(shù)顯著下降，且磨損率隨WS2含量的增加而降低，磨損機(jī)理由嚴(yán)重的剝層磨損和疲勞磨損逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)檩p微的剝層磨損且摩擦表面變光滑，材料空間摩擦學(xué)性能明顯提高[24]。

2)Ti及其合金

Ti及其合金因?qū)崧实?，彈性模量低，摩擦因?shù)高，在空間環(huán)境下易于黏著。在模擬空間環(huán)境下，Ti及TC4合金(Ti-6Al-4V)經(jīng)原子氧輻射后表面生成TiO2，其磨損機(jī)理主要為黏著磨損、磨粒磨損和塑性變形[24]。與大氣環(huán)境下相比，空間條件下的Ti及TC4合金摩擦因數(shù)增加，Ti的磨損降低，而TC4合金的磨損加劇[25]。當(dāng)真空環(huán)境溫度降低時(shí)，TC4合金磨損表面具有黏著特征，其摩擦因數(shù)降低，磨損加劇，具體表現(xiàn)為：較低速滑動(dòng)時(shí)，摩擦表面產(chǎn)生裂紋；較高速滑動(dòng)時(shí)，裂紋被表面塑性變形痕跡所代替。較低的磨損抗力限制了Ti及其合金材料在空間摩擦學(xué)中的應(yīng)用，如在高真空環(huán)境下，太陽能電池帆板中的鈦合金銷表面產(chǎn)生強(qiáng)烈的黏著，甚至冷焊。

隨著航天器機(jī)動(dòng)性能的提高及推重比的增大，其減重尤為重要。Ti及其合金因具有密度小、比強(qiáng)度高、耐腐蝕性強(qiáng)和無磁等優(yōu)異性能而成為航天器的首選材料，常通過表面改性(等離子噴涂，離子注入和MoS2共沉積等)進(jìn)行改善其黏著性，且已應(yīng)用于美國的“阿波羅”工程和“水星”計(jì)劃的摩擦部件中。目前相對(duì)國外，國內(nèi)Ti及其合金摩擦磨損性能的研究主要集中在地面大氣環(huán)境下，在空間環(huán)境下的研究較少。

2.2.2 耐磨涂層

空間用耐磨涂層是在基材表面涂覆一層與基體結(jié)合性良好且耐磨的材料，常用空間耐磨涂層及其性能如表2所示[24,26-27]。

表2 空間用耐磨涂層

其中，DLC膜(非晶碳膜)的性能與金剛石相似，具有奇特的碳矩陣結(jié)構(gòu)，擁有優(yōu)異的耐磨性和較低的摩擦因數(shù)(一般在0.2以下，真空下為0.006～0.010)，且機(jī)械性能優(yōu)良，是一種優(yōu)異的表面抗磨損改性膜，現(xiàn)廣泛用于空間運(yùn)動(dòng)部件(軸承和齒輪等)的保護(hù)涂層。如在月球車鉸鏈運(yùn)動(dòng)副中，GCr15軸套與鍍DLC膜軸瓦構(gòu)成的摩擦副具有優(yōu)異的摩擦學(xué)性能。

在高真空環(huán)境下，非晶結(jié)構(gòu)的DLC膜具有不穩(wěn)定性，溫度升高導(dǎo)致DLC膜向穩(wěn)定石墨相轉(zhuǎn)變；高內(nèi)應(yīng)力使得DLC膜與基體結(jié)合強(qiáng)度下降(DLC膜在2 μm以上厚度時(shí)與基體脫落)。DLC膜的主要缺陷是熱穩(wěn)定性差和薄膜內(nèi)應(yīng)力高(通常為GPa量級(jí))[28]，常通過摻雜(Si，Ti，F(xiàn)，N等元素)與退火熱處理來改善DLC膜的摩擦學(xué)性能與物理機(jī)械性能[29-32]。

在高真空條件下，H對(duì)DLC膜的摩擦學(xué)行為產(chǎn)生嚴(yán)重影響：H的自由鍵鈍化導(dǎo)致接觸面間接觸力較弱[33]，H原子的釋放能潤滑摩擦表面[34]。當(dāng)DLC膜H含量較高時(shí)，膜的摩擦因數(shù)與磨損量都較低；反之，H含量較低或無H時(shí)，膜的摩擦因數(shù)和磨損量較高。Andersson等[35]采用陰極電弧法制備無氫DLC膜，等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法制備高H含量的DLC膜，在10-6Pa壓強(qiáng)下，高H含量DLC膜摩擦因數(shù)小于0.01，而無氫DLC膜摩擦因數(shù)約為0.6，因此，DLC膜需要高含量的H來抑制C—C相互作用，在一定程度上改善材料的摩擦狀態(tài)。Donnet等[36]研究表明，氫化DLC膜(α-C ∶H)和Ti/α-CH(Ti)膜在高真空條件下能出現(xiàn)超低的摩擦因數(shù)與磨損率，其摩擦學(xué)行為受沉積條件影響較大。

DLC膜的結(jié)構(gòu)，服役條件(載荷、溫度、濕度等)和摩擦副的匹配狀況對(duì)膜的摩擦學(xué)性能影響也較大[37]。在較低溫度時(shí)，具有硬/軟亞層交替的DLC多層膜的摩擦學(xué)性能較穩(wěn)定；當(dāng)Ti-6Al-4V合金與DLC膜之間夾一層Si膜時(shí)，材料在摩擦過程中將呈現(xiàn)出較低的摩擦因數(shù)與磨損量，冷焊得到抑制[38]；DLC膜在真空高速低載下具有更低的摩擦因數(shù)[39]；等離子體基離子注入法(PBII)制備的TiN/DLC和TiN/Ag固體潤滑膜，與基體間的成分和結(jié)構(gòu)過渡良好[40]，且TiN/DLC膜互為摩擦副的耐磨性優(yōu)于TiN/DLC膜-TiN/Ag膜摩擦副。

某些空間耐磨涂層不僅具有耐磨性，還具有高真空環(huán)境下的抗冷焊與原子氧環(huán)境下的抗氧化等性能。在高真空條件下，金屬-金屬間發(fā)生冷焊，常以不同材料組構(gòu)摩擦副，或鍍層抑制冷焊的發(fā)生。如Al2O3，ZrO2和Cr2O3等薄膜層，聚酰亞胺SP3，鍍銀MoS2及包含固體潤滑劑在內(nèi)的復(fù)合材料(如Ni-P-PTFE復(fù)合鍍層)均能有效降低材料的磨損率，防止冷焊。然而，高真空條件下的冷焊并非都是不利的，如錫青銅與對(duì)偶鋼發(fā)生黏著，從錫青銅中轉(zhuǎn)移出的Sn元素使摩擦表面形成良好的轉(zhuǎn)移膜，明顯改善了錫青銅合金的摩擦學(xué)性能，降低摩擦噪聲[41]。在原子氧照射下，碳基材料單位面積質(zhì)量損失率幾乎與暴露時(shí)間成正比，且強(qiáng)烈取決于材料表面的溫度，Si浸潤能提高碳基材料的摩擦學(xué)性能[3]。除了改善材料自身的性能外，還可以通過微弧氧化、真空鍍膜及納米復(fù)合電刷鍍等來提高材料抗原子氧能力[42-43]。

2.3 空間減摩材料

空間運(yùn)動(dòng)部件(如軸承和滑塊等)常在表面涂敷潤滑劑或采用自潤滑材料來降低材料表面的摩擦因數(shù)，以保證航天器整個(gè)運(yùn)行過程中各功能的有效實(shí)施。液體潤滑劑在低溫下易達(dá)到其傾點(diǎn)，凝成固態(tài)，此時(shí)，傳統(tǒng)的液體潤滑劑將不再適應(yīng)，用固體潤滑劑或減摩涂層取而代之。

2.3.1 固體潤滑材料

空間固體潤滑劑一般包括部分軟金屬(如Pb)、高分子材料(如PI和PTFE等)及某些金屬的氧化物，氟化物和硫化物等(如PbO，MoS2，WS2和BaF2)等，其性能及應(yīng)用范圍如表3所示[12-13,44-45]。其中NASA的Lewis研究表明，PTET是目前最好的超低溫固體潤滑劑[46]。

高分子材料是我國航天工業(yè)賴以支撐的主要潤滑材料(潤滑劑與自潤滑材料)，合理地使用將有效降低活動(dòng)部件的摩擦力矩，并延長材料的使用壽命。其中，聚酰亞胺、聚四氟乙烯和聚醚醚酮等應(yīng)用最廣泛。

1)聚酰亞胺

聚酰亞胺(PI)是一種低磨耗，低摩擦因數(shù)，高分解溫度(450～600 ℃之間)，耐低溫(溫度降至-269 ℃仍具有較好的韌性)，且物理機(jī)械性能優(yōu)良的自潤滑材料與固體潤滑劑，其應(yīng)用廣泛。如PI常用于航天器的軸承，液氫溫度下的高壓密封部件等；可加工性優(yōu)良的PI/PTFE(聚酰亞胺/聚四氟乙烯)常用作液壓活塞套、活塞套筒、低溫密封環(huán)等減磨件；短切纖維/PI復(fù)合材料常用于運(yùn)載火箭液氫貯箱低溫密封結(jié)構(gòu)件。與大部分高分子材料類似，原子氧與紫外線會(huì)使PI表面分子鏈降解，部分苯環(huán)遭到破壞，納米TiO2可提高其抗原子氧與紫外線剝蝕能力[47]。

2)聚四氟乙烯

聚四氟乙烯(PTFE)耐高低溫(在-180～250 ℃溫度范圍內(nèi)可長期工作)，低溫下仍保持較好的延展性，且摩擦因數(shù)極低(約0.5)，廣泛應(yīng)用于無油潤 滑工況，尤其適用于滑動(dòng)速率較低，壓力不高的服役條件。然而，PTFE硬度低，易磨耗，耐蠕變和抗原子氧性能等較差限制了其應(yīng)用，常添加不同填充劑改善其性能。

表3 常見固體潤滑劑的性能對(duì)比

3)聚醚醚酮

聚醚醚酮(PEEK)樹脂具有較好的自潤滑性，已成功應(yīng)用于火箭的螺栓、螺母及發(fā)動(dòng)機(jī)的零部件等；對(duì)PEEK樹脂進(jìn)行共混，填充和材料復(fù)合(石墨，碳纖維和PTFE等)等增強(qiáng)改性處理，可以得到低摩擦因數(shù)、耐磨損、耐熱、耐腐蝕、抗疲勞和抗沖擊性能更優(yōu)的材料。

2.3.2 減摩涂層

在空間機(jī)構(gòu)中，減摩涂層的使用主要是為了降低摩擦副的摩擦因數(shù)，MoS2基薄膜是應(yīng)用最廣泛的減摩涂層之一。在真空中，純MoS2薄膜的摩擦因數(shù)非常低，具有較長的使用壽命與優(yōu)良的摩擦學(xué)性能[48]，且對(duì)精密運(yùn)動(dòng)部件無影響。然而，鍍MoS2基薄膜的空間機(jī)械部件在地面(特別在潮濕大氣)的安裝、調(diào)試和貯運(yùn)過程中易氧化，降低了材料的摩擦學(xué)性能。因此，常在MoS2基薄膜中添加一些元素或化合物來改善上述缺陷，具體改善措施如表4所示[49-54]。

運(yùn)行條件、基體種類與S/Mo原子比都會(huì)對(duì)MoS2基薄膜的摩擦學(xué)性能產(chǎn)生影響，影響結(jié)果如表5所示MoS2基濺射薄膜在空間軸承中應(yīng)用較多[55]，如9Cr18馬氏體不銹鋼摩擦副鍍MoS2基濺射膜后，材料的摩擦因數(shù)明顯下降，且在真空條件下更低[56]。

表4 改善MoS2基薄膜性能的方法

表5 MoS2基薄膜摩擦學(xué)性能影響因素

3 結(jié)束語

綜上所述，在惡劣的空間環(huán)境下，傳統(tǒng)的摩擦材料已經(jīng)暴露出諸多的不適用性，如高真空下的冷焊、各種輻射引起表面的侵蝕和沖擊破壞、原子氧轟擊下的高溫氧化與交變溫度產(chǎn)生的熱應(yīng)力使材料物理化學(xué)性能及摩擦學(xué)性能發(fā)生改變，因此世界各國就新型空間用摩擦學(xué)材料的研制與開發(fā)開展了大量工作，研究成果已在空間機(jī)構(gòu)中得到廣泛應(yīng)用。

目前，我國航天事業(yè)發(fā)展迅速，但與美俄英等航空大國相比，空間摩擦學(xué)材料的研究存在一定差距。雖然空間摩擦材料已在空間對(duì)接機(jī)構(gòu)、貨運(yùn)飛船、空間機(jī)械臂等中得到應(yīng)用，但基于其工作特點(diǎn)，仍需全面開發(fā)新型高性能空間摩擦副材料，并著重探討在重載條件下的摩擦學(xué)性能及使用壽命，深入研究各種空間環(huán)境下的摩擦磨損機(jī)理，使用壽命及失效機(jī)理，從而獲得新型高性能的空間摩擦學(xué)材料。

隨著我國航天事業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展，對(duì)空間耐磨材料和空間減摩材料要求越來越高，在滿足苛刻服役環(huán)境下的使用性能外，還需保證摩擦學(xué)系統(tǒng)的低摩擦、低磨損及長壽命的要求。由于摩擦副材料的研究周期一般較長，且空間耐磨及減摩涂層具有經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、縮短研發(fā)周期及性能優(yōu)良等優(yōu)勢(shì)，而在將來的發(fā)展中具有巨大潛力。

對(duì)空間環(huán)境地面模擬試驗(yàn)設(shè)備的改進(jìn)是實(shí)現(xiàn)上述材料設(shè)計(jì)改進(jìn)的保障，進(jìn)而從微觀角度深入地分析材料的失效機(jī)制，為新型空間摩擦學(xué)材料的研究提供理論基礎(chǔ)，從而建設(shè)新型高性能空間摩擦學(xué)材料數(shù)據(jù)庫，滿足苛刻的空間服役環(huán)境與面臨國際空間技術(shù)發(fā)展的挑戰(zhàn)。

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(責(zé)任編輯：張 崢)

征 稿 簡 則

一、 征稿范圍

本刊僅刊登國內(nèi)外未公開發(fā)表過的具有應(yīng)用前景的航空航天材料的綜述和研究論文。來稿應(yīng)具有創(chuàng)新性、觀點(diǎn)明確、邏輯清晰、數(shù)據(jù)可靠、文字精煉流暢。

二、投稿約定及說明

(1)上傳電子稿件應(yīng)為WORD(*.doc)文檔，最大不超過10 M，大于10 M的文檔無法上傳，請(qǐng)務(wù)必壓縮。

(2)本刊不收取審稿費(fèi)，但對(duì)刊登的稿件收取發(fā)表費(fèi)，在錄用通知中通知作者交付發(fā)表費(fèi)的具體信息。論文發(fā)表后，支付一定數(shù)量的稿酬(包括提供給各檢索機(jī)構(gòu)的稿酬)，并贈(zèng)送當(dāng)期學(xué)報(bào)。

(3)省部級(jí)以上基金資助的項(xiàng)目，請(qǐng)注明基金類別和基金號(hào)，基金號(hào)也可錄入到Acknowledgement項(xiàng)目中。

三、論文書寫注意事項(xiàng)及相關(guān)要求

摘要為論文耳目，其內(nèi)容應(yīng)為文章的核心精華。它獨(dú)立于正文而存在，應(yīng)準(zhǔn)確、具體、完整地概括原文的創(chuàng)新之處。中文摘要以200～400字為宜，英文摘要不少于250 words。

(1)研究論文摘要需包含研究的問題、過程和方法、結(jié)果或結(jié)論三部分內(nèi)容。通常直接指明研究問題不需要背景信息，如需介紹背景信息以不超過一行文字為宜，過程和方法應(yīng)盡量詳細(xì)陳述，結(jié)果或結(jié)論應(yīng)明確列出。

(2)綜述論文摘要應(yīng)對(duì)文章所述內(nèi)容的核心思想進(jìn)行簡明歸納，如研究現(xiàn)狀的具體情況、未來發(fā)展的具體趨勢(shì)等。

(3)摘要敘述要完整，清楚，簡潔明了。英文摘要盡量用短句子并同時(shí)句型盡量不單調(diào)，用過去時(shí)態(tài)敘述作者工作，現(xiàn)在時(shí)態(tài)敘述作者結(jié)論。

(4)摘要中最好不要出現(xiàn)類似“本研究是對(duì)過去工作改進(jìn)”等詞語。同時(shí)也不必談及未來計(jì)劃和對(duì)什么工作有意義。

研究論文的引言(前言)部分以500～1000字為宜。引言部分應(yīng)包含研究背景、國內(nèi)外研究進(jìn)展及存在的不足、本工作的研究內(nèi)容三部分。研究進(jìn)展應(yīng)為最新進(jìn)展、引用文獻(xiàn)應(yīng)包括國內(nèi)外的文獻(xiàn)(最好不進(jìn)行二次引用)、中英文參考文獻(xiàn)數(shù)量應(yīng)不少于15篇。

參考文獻(xiàn)應(yīng)是文中直接引用的公開出版物，且在文中引用出應(yīng)“[文獻(xiàn)序號(hào)(右上角標(biāo))]”順序標(biāo)注。參考文獻(xiàn)著錄格式可在期刊網(wǎng)頁下載《論文格式要求》。

關(guān)鍵詞以3～5為宜，最多不超過7個(gè)。關(guān)鍵詞應(yīng)能代表論文的核心內(nèi)容。

四、其他約定及說明

(1)作者請(qǐng)自留底稿。正常情況審稿周期為三個(gè)月，可在線查詢稿件處理進(jìn)程，如逾期可打電話(010)62496277查詢。未錄用稿件，只通知退稿。

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(3)來稿請(qǐng)勿一稿多投。若發(fā)現(xiàn)一稿多投的情況，本刊將在兩年內(nèi)不再接收此作者的稿件，并追究所造成的相關(guān)損失。 一旦發(fā)現(xiàn)學(xué)術(shù)不端現(xiàn)象，編輯部將對(duì)稿件進(jìn)行退稿處理，同時(shí)通知所在單位嚴(yán)肅處置。

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Research Status and Developing Trend of Space Tribology and Tribological Materials

ZHONG Aiwen, YAO Pingping, XIAO Yelong, ZHOU Haibin, GONG Taimin

(State Key Laboratory of Powder Metallurgy, Central South University, Changsha 410083, China)

The harsh space environment and its influence on the performance of space tribological materials are reviewed. The effects of the harsh space environment on the friction and wear mechanisms of friction materials, anti-wear materials and anti-friction materials are analyzed respectively. Space friction materials which are often used in space docking system and space manipulator should have stable friction torque and excellent adhesive wear resistance. Space anti-wear materials are mainly used in the space bearings, gears and seal parts. For example, The metal elements (e.g. Ce, Cr, Mn, Mo, Nb, W) and solid lubricants are often added for Fe-Al intermetallics to restrain creep at high temperature; the wear resistances of Ti and its alloys are often improved by surface modification; anti-wear coating which has a proper associativity with the matrix can improve the wear resistance of the materials. Space anti-friction materials mainly refer to lubricants and self-lubricating materials which can reduce friction coefficient of the materials, such as soft metals, polymer materials, some oxides, fluorides and sulfides. With the development of aerospace science and technology, it is highly demanded that the novel tribological materials with high performance should be developed for space applications, and the database of tribological materials should be built, in order to meet the international challenge of development of space technology.

tribological materials; space environment; friction; anti-wear; anti-friction

2015-10-13；

2016-09-18

國家自然科學(xué)基金(51175516，51475476)；粉末冶金國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室資助(621020006)

姚萍屏(1969—)，男，博士，教授，主要從事高性能粉末冶金摩擦材料的研制，(E-mail)ppyao@csu.edu.cn。

10.11868/j.issn.1005-5053.2015.000195

TF125.9

A

1005-5053(2017)02-0088-12