織構(gòu)化表面NbSe2涂層的真空載流摩擦學(xué)行為

楊 洋 ,吉 利 ,鞠鵬飛 ,劉京周 ,徐 州 ,裴露露 ,李紅軒,周惠娣,陳建敏,段文山

(1.西北師范大學(xué) 物理與電子工程學(xué)院,甘肅 蘭州 730070;2.中國(guó)科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所 中科院材料磨損與防護(hù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,甘肅 蘭州 730000;3.上海航天設(shè)備制造總廠有限公司,上海 200245)

滑動(dòng)電接觸部件在航天裝備中普遍應(yīng)用，并發(fā)揮著十分重要的作用.以太陽(yáng)能帆板導(dǎo)電滑環(huán)為例，其作為航天器能源供應(yīng)“電傳輸”關(guān)鍵核心產(chǎn)品，負(fù)責(zé)將太陽(yáng)翼產(chǎn)生的電能和信號(hào)傳輸至航天器內(nèi)部，其性能的好壞直接決定著整個(gè)系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性和使用壽命.相較于常規(guī)大氣環(huán)境，航天服役環(huán)境對(duì)于滑動(dòng)電接觸部件的的要求更為嚴(yán)苛和特殊.在服役工況方面，除了常規(guī)的機(jī)械磨損外，載流產(chǎn)生的電弧侵蝕會(huì)對(duì)材料產(chǎn)生巨大的破壞作用，同時(shí)在高真空和電流熱的作用條件下，材料原子的相互擴(kuò)散與冷焊黏著問(wèn)題嚴(yán)重.但常規(guī)摩擦試驗(yàn)機(jī)難以實(shí)現(xiàn)在真空載流環(huán)境下的測(cè)試，目前尚缺少對(duì)材料在真空載流特殊摩擦條件下的針對(duì)性研究，對(duì)于材料的設(shè)計(jì)及性能提升方面的指導(dǎo)有限；在性能要求方面，航天材料具有可靠性高、壽命長(zhǎng)、不可維修和無(wú)備份等特點(diǎn)，還需考慮其在真空條件下的潤(rùn)滑性、導(dǎo)電性、在載流過(guò)程中的性能穩(wěn)定性以及在滑動(dòng)接觸過(guò)程中的電噪音等[1-4].因此，大氣環(huán)境下常用的許多電接觸潤(rùn)滑材料在航天領(lǐng)域都受到限制，例如廣泛使用的石墨電刷等材料，在真空中減磨耐磨性能均大幅變差.目前來(lái)說(shuō)，金、鉑等貴金屬材料由于其優(yōu)異的導(dǎo)電性和化學(xué)穩(wěn)定性，仍然是真空電接觸潤(rùn)滑主要材料.但單純的金-金配副在真空載流條件下，摩擦系數(shù)很高，《空間摩擦學(xué)手冊(cè)》[5-6]數(shù)據(jù)表明金-金配副典型摩擦系數(shù)為0.3以上，會(huì)造成嚴(yán)重的磨損，影響壽命.隨著新一代航天器對(duì)延壽的要求大幅提升，現(xiàn)有材料暴露出明顯的不足，逐漸無(wú)法滿足發(fā)展需求，迫切需要探索具有超低摩擦、長(zhǎng)壽命、導(dǎo)電和潤(rùn)滑一體化的新型空間潤(rùn)滑材料體系.

以二硫化鉬為代表的過(guò)渡金屬硫硒化物(MX2，M=Mo、W、Nb、Ta;X=S、Se)，由于其層狀易滑移結(jié)構(gòu)，在真空中具有極其優(yōu)異的潤(rùn)滑性能，被廣泛用作空間裝備的潤(rùn)滑材料[7].但二硫化鉬不導(dǎo)電，限制了其作為真空導(dǎo)電潤(rùn)滑薄膜的應(yīng)用能力[8-10].NbSe2具有類似于MoS2的層狀易剪切結(jié)構(gòu)，具有優(yōu)異的潤(rùn)滑屬性，在空氣環(huán)境中摩擦系數(shù)為0.1左右，在高真空下的表現(xiàn)更加優(yōu)異，摩擦系數(shù)約為0.02[11-12].同時(shí)由于其電子結(jié)構(gòu)的特異性，表現(xiàn)出金屬導(dǎo)電性，電阻率為5.35×10-4Ω·cm，比二硫化鉬低6個(gè)數(shù)量級(jí)，比石墨低1個(gè)數(shù)量級(jí)，在特定的條件下甚至可以達(dá)到超導(dǎo)性能[13-16].結(jié)合NbSe2優(yōu)異的潤(rùn)滑與導(dǎo)電雙功能特性，作為新型的滑動(dòng)電接觸潤(rùn)滑材料，展現(xiàn)出巨大的潛力[17].實(shí)際上，在大氣環(huán)境中，NbSe2電刷材料以及觸點(diǎn)材料已經(jīng)有所應(yīng)用[18]，但能否適用于空間特殊的電接觸環(huán)境(真空、高載流)，并且滿足低摩擦、長(zhǎng)壽命、高傳輸和低噪音等方面的高標(biāo)準(zhǔn)要求，非常值得探索研究.

本文中利用所建立的真空載流摩擦試驗(yàn)平臺(tái)，探索NbSe2材料在真空載流條件下的摩擦學(xué)性能和電接觸行為，并對(duì)比現(xiàn)役滑動(dòng)電接觸材料(電鍍金涂層)，探討NbSe2作為空間導(dǎo)電潤(rùn)滑材料的可行性.為了減少其他物質(zhì)的干擾，利用噴涂法在銅基底表面制備單純的NbSe2涂層.針對(duì)NbSe2的電阻率與已廣泛應(yīng)用的Au的電阻率仍存在1個(gè)數(shù)量級(jí)的差別，以及單純的NbSe2噴涂涂層結(jié)合較差的問(wèn)題，提出了銅基底預(yù)先表面織構(gòu)的改性方法[19]，一方面利用織構(gòu)凹槽存儲(chǔ)NbSe2潤(rùn)滑劑，在摩擦過(guò)程中源源不斷地補(bǔ)充到接觸表面起到邊界潤(rùn)滑作用；另一方面，凹槽的設(shè)置會(huì)避免接觸面形成厚實(shí)的NbSe2介電層，利用銅基材凹槽邊緣以及復(fù)合超薄的NbSe2結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)電流的高效傳輸[20-24].研究Cu基底上條狀和網(wǎng)狀不同織構(gòu)以及各自不同密度織構(gòu)條件下的真空載流摩擦學(xué)性能和影響規(guī)律.進(jìn)一步對(duì)比研究?jī)?yōu)化后NbSe2涂層與現(xiàn)役電鍍金涂層在真空載流條件下摩擦學(xué)和電接觸行為.

1 試驗(yàn)方法

1.1 表面織構(gòu)

本試驗(yàn)中選擇導(dǎo)電滑環(huán)常用的Cu基材.Cu試塊(Φ25 mm×8 mm)經(jīng)過(guò)拋光處理(Ra為75～100 nm)和丙酮超聲清洗處理后進(jìn)行表面織構(gòu)處理.采用CHUTIANLASER GROUP型激光織構(gòu)機(jī)，激光輸出功率為3W，織構(gòu)速度為200 mm/s.為了研究織構(gòu)形貌和織構(gòu)密度的影響，設(shè)置了條狀和網(wǎng)狀兩種不同織構(gòu)形貌，并分別織構(gòu)了200、300和400 μm三種不同織構(gòu)間距的Cu基底樣品(具體參數(shù)列于表1中).條狀織構(gòu)制備的樣品命名為T-200、T-300和T-400，網(wǎng)狀織構(gòu)制備的樣品命名為W-200、W-300和W-400.鑒于激光能量固定，織構(gòu)條紋寬度為90 μm，為了避免織構(gòu)條紋重合的問(wèn)題，最小的織構(gòu)條紋間距控制為200 μm.激光織構(gòu)處理后，對(duì)Cu試塊再次用2000#砂紙進(jìn)行表面拋光處理，以去除織構(gòu)條紋邊緣產(chǎn)生的毛刺，以免對(duì)摩擦學(xué)性能測(cè)試造成影響.

表1 激光表面織構(gòu)參數(shù)設(shè)置Table 1 Parameters setting of laser textured surface

1.2 NbSe2涂層制備

試驗(yàn)用的NbSe2粉末(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為99%)購(gòu)買于北京浩克科技有限公司.粉末的電子顯微鏡照片與XRD表征結(jié)果如圖1所示，試驗(yàn)用NbSe2粉末為典型的片狀結(jié)構(gòu)，片層尺寸分布均勻.粉末的XRD測(cè)試結(jié)果表明其為六方晶型.為了更好地研究樣品的本征性能，采用易揮發(fā)的乙醇作為分散劑，將1 g的上述粉末與100 g乙醇相混合，超聲分散120 min.然后采用噴涂的方式將分散均勻的混合溶液噴涂在表面織構(gòu)的Cu塊表面，制備出六種不同織構(gòu)參數(shù)的NbSe2涂層，將制備的涂層用烘箱在80 ℃下干燥30 min，然后40 min升溫至200 ℃并保持120 min進(jìn)行干燥處理.采用電渦流測(cè)厚儀(MINITEST 1100)對(duì)涂層厚度進(jìn)行測(cè)量，制備的涂層厚度約為25 μm左右，并且覆蓋整個(gè)基底.

Fig.1 (a) Micrograph scan and (b) XRD pattern of NbSe2圖1 NbSe2原始粉末的形貌與XRD圖

Fig.2 Schematic diagram of vacuum current-carrying friction testing machine圖2 真空載流摩擦試驗(yàn)機(jī)示意圖

1.3 載流摩擦學(xué)性能測(cè)試

常規(guī)的摩擦試驗(yàn)機(jī)難以模擬真實(shí)的真空載流測(cè)試條件，無(wú)法提供更接近于實(shí)際工況的摩擦磨損數(shù)據(jù).因此，對(duì)CSM真空摩擦試驗(yàn)機(jī)改進(jìn)組裝，配置電流加載系統(tǒng)及電流電壓測(cè)試裝置，如圖2所示，實(shí)現(xiàn)電信號(hào)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，可真實(shí)評(píng)價(jià)真空載流摩擦學(xué)性能.兆信直流穩(wěn)壓電源(KXN-10050D)的正極與導(dǎo)電觸頭連接，負(fù)極與導(dǎo)電樣品臺(tái)連接，導(dǎo)電觸頭和樣品均與摩擦試驗(yàn)機(jī)通過(guò)陶瓷絕緣.導(dǎo)電觸頭接觸到樣品表面的瞬間，測(cè)試回路由斷路變?yōu)閷?dǎo)通，使用高精度實(shí)時(shí)電壓電流測(cè)量?jī)x器(FLUKE8846A)測(cè)觸頭與樣品涂層之間的接觸電壓.試驗(yàn)中保持腔室真空度在3×10-5Pa以下，采用往復(fù)滑動(dòng)模式，選用鋼球(GCr15，Ф6 mm)作為摩擦對(duì)偶球，法向載荷為0.5 N，電流為0.6 A，往復(fù)滑動(dòng)頻率為3 Hz，往復(fù)振幅為5 mm，當(dāng)樣品磨穿，即摩擦系數(shù)出現(xiàn)突增或摩擦持續(xù)20 000 次循環(huán)時(shí)停止試驗(yàn).每個(gè)摩擦試驗(yàn)重復(fù)3次以上.

通過(guò)傳感器實(shí)時(shí)收集摩擦系數(shù)，最后得到樣品載流下的摩擦系數(shù)曲線.采用掃描電子顯微鏡(SEM，JSM-5600LV，Japan)觀察摩擦表面以及對(duì)偶上的轉(zhuǎn)移膜，并用能量色散光譜儀(EDS)測(cè)試對(duì)偶球上的元素分布.

2 結(jié)果與分析

2.1 涂層樣品

圖3示出典型的條狀和網(wǎng)格狀織構(gòu)基材表面涂層的光學(xué)顯微鏡照片.從圖3中可以看出，織構(gòu)形貌規(guī)則，邊緣平滑無(wú)毛刺，表面均勻覆蓋NbSe2涂層.通過(guò)掃描電子顯微鏡進(jìn)一步觀察凹槽內(nèi)部噴涂涂層的情況，結(jié)果如圖3(c)所示，可以看出凹槽內(nèi)部也填充一定量的片狀NbSe2粉末材料.

Fig.3 Optical micrographs of (a) 300 μm-micron interval strip and (b) mesh morphology;(c) SEM micrograph of NbSe2 in the groove圖3 300 μm間隔條狀和網(wǎng)格狀織構(gòu)基材表面涂層的光學(xué)顯微鏡照片與織構(gòu)凹槽內(nèi)NbSe2形貌的SEM照片

Fig.4 Vacuum current-carrying friction coefficient curves of NbSe2 coatings sprayed on Cu substrates and (a) strips,sprayed on Cu substrates and (b) mesh textures with different densities圖4 Cu基材以及不同密度條狀和網(wǎng)格狀織構(gòu)表面噴涂NbSe2涂層的真空載流摩擦曲線

2.2 載流摩擦學(xué)性能

對(duì)比測(cè)試Cu基材、Cu基材直接噴涂NbSe2涂層、條狀和網(wǎng)格狀織構(gòu)表面噴涂NbSe2涂層的真空載流摩擦學(xué)性能，如圖4所示.對(duì)于Cu基材，摩擦系數(shù)波動(dòng)很大，平均摩擦系數(shù)為0.6左右.Cu基材直接噴涂NbSe2涂層后，摩擦系數(shù)降至0.08，但潤(rùn)滑壽命很短，800次循環(huán)后失效.表面織構(gòu)的涂層總體可以有效降低摩擦系數(shù)，并起到延長(zhǎng)潤(rùn)滑壽命的效果.對(duì)于條狀織構(gòu)形貌，不同織構(gòu)密度下的摩擦曲線相差不大，摩擦系數(shù)在0.08左右，波動(dòng)較小，潤(rùn)滑壽命大概維持在7 000 次循環(huán)左右，相較于未織構(gòu)表面，涂層壽命提高4倍.對(duì)于網(wǎng)格狀織構(gòu)樣品，隨著織構(gòu)密度的增加，壽命不斷增加，當(dāng)織構(gòu)間隔為200 μm時(shí)，表現(xiàn)出最優(yōu)的真空載流摩擦學(xué)性能，摩擦系數(shù)穩(wěn)定在0.06左右，往復(fù)滑動(dòng)20 000 次循環(huán)時(shí)依舊未失效.總體來(lái)講，Cu基材表面噴涂NbSe2涂層可以起到潤(rùn)滑的作用，但附著力弱，壽命有限；表面織構(gòu)化可以有效延長(zhǎng)潤(rùn)滑壽命，起到穩(wěn)定和長(zhǎng)效潤(rùn)滑的作用，高密度的網(wǎng)格狀織構(gòu)表面具有最佳的潤(rùn)滑效果.

為了探究織構(gòu)結(jié)構(gòu)對(duì)各涂層摩擦磨損性能的影響，觀察不同織構(gòu)特征樣品的磨痕和對(duì)偶球磨斑形貌.圖5給出了Cu基材直接噴涂NbSe2涂層以及不同密度條狀織構(gòu)表面噴涂NbSe2涂層的磨痕和磨斑形貌的SEM照片.Cu基材直接噴涂NbSe2涂層的樣品在載流滑動(dòng)摩擦之后，磨痕與磨斑兩側(cè)均有NbSe2碎片的堆積，裸露出Cu基材，涂層被破壞且失效明顯.對(duì)于條狀織構(gòu)結(jié)構(gòu)，往復(fù)摩擦方向與條紋方向相平行，這樣不僅最大程度上利用凹槽儲(chǔ)存磨屑，也保證材料的連續(xù)導(dǎo)電性[25].如圖5(d)所示，磨痕上織構(gòu)的條紋已經(jīng)基本被對(duì)偶球破壞，涂層失效裸露出Cu基底.從圖5(b)和圖5(c)可以看到條狀表面織構(gòu)摩擦原理基本相似，其磨斑相對(duì)較大且對(duì)偶上附著相當(dāng)數(shù)量的Cu.Cu基材直接噴涂NbSe2涂層失效迅速，一方面是由于涂層形態(tài)疏松且結(jié)構(gòu)并不致密，與基材結(jié)合力差，另一方面是由于光滑的基材表面并不能有效地使?jié)櫥瑒┳饔迷诨瑒?dòng)軌道上，表面的潤(rùn)滑劑直接被對(duì)偶球推移至磨痕的兩側(cè)導(dǎo)致涂層很快失效.除了相對(duì)滑動(dòng)帶來(lái)的機(jī)械磨損之外，載流引起的電氣磨損可能也是造成涂層失效的重要因素，電弧侵蝕會(huì)破壞涂層，形成微小的顆粒，加劇磨粒磨損，在很大程度上縮短材料的摩擦壽命[26-28].從對(duì)偶球磨斑形貌也可以看出，對(duì)于未織構(gòu)和400 μm條狀間距織構(gòu)的樣品，磨屑微粒不能被及時(shí)捕獲，對(duì)偶球磨斑邊緣出現(xiàn)明顯的電弧燒蝕現(xiàn)象.因此，相較于Cu基材直接噴涂NbSe2涂層，條狀織構(gòu)表面噴涂NbSe2涂層可在一定程度上抑制載流摩擦過(guò)程中帶來(lái)的燒蝕現(xiàn)象.

Fig.5 Wear scars of (a) original sample coating,(b) T-400,(c) T-300 and (d) T-200;Worn surfaces of steel balls of (e) original sample coating,(f) T-400,(g) T-300 and (h) T-200圖5 未織構(gòu)樣品與T-200、T-300和T-400樣品的磨痕與對(duì)偶球磨斑形貌

圖6所示為未織構(gòu)樣品與T-200、T-300和T-400樣品的磨痕與對(duì)偶磨斑形貌照片，隨著織構(gòu)間距的增大，磨痕逐漸變寬，磨斑上的轉(zhuǎn)移Cu逐漸增多.圖6(a)表明，由于是原始表面直接噴涂制備樣品，涂層的摩擦壽命短的原因在于，潤(rùn)滑劑NbSe2隨著摩擦的進(jìn)行很快被推移到磨痕兩側(cè)，Cu基底暴露與對(duì)偶球直接接觸.如圖6(b)所示，W-200樣品的磨痕上可以看到織構(gòu)的凹槽并沒(méi)有在相對(duì)滑動(dòng)的過(guò)程中被對(duì)偶球破壞，基材凹槽邊緣以及復(fù)合在凸面上的NbSe2薄層結(jié)構(gòu)使得涂層具有低的載流摩擦系數(shù)，不僅可以讓凹槽中的NbSe2不斷補(bǔ)充到摩擦軌道上形成穩(wěn)定的層狀結(jié)構(gòu)，同時(shí)摩擦過(guò)程中產(chǎn)生的磨粒也會(huì)儲(chǔ)存在凹槽中，避免一部分磨粒磨損帶來(lái)的負(fù)面影響.NbSe2作為潤(rùn)滑劑能快速在對(duì)偶球上形成1層致密的轉(zhuǎn)移膜保護(hù)對(duì)偶球，使其不能直接與基底接觸，減少基底與對(duì)偶球滑動(dòng)摩擦帶來(lái)的黏著磨損.而在W-300和W-400樣品的磨痕上能明顯觀察到裸露的Cu基底，磨斑兩側(cè)有明顯電弧燒蝕的痕跡，說(shuō)明相對(duì)較少的織構(gòu)凹槽不能有效地儲(chǔ)存潤(rùn)滑劑，在滑動(dòng)接觸面上未能形成均勻的潤(rùn)滑膜，對(duì)偶與基底直接接觸破壞了織構(gòu)條紋，是涂層失效的主要原因[29].對(duì)比所有樣品的磨痕與磨斑發(fā)現(xiàn)，W-200的磨斑樣貌與其他樣品的磨斑形貌區(qū)別明顯，也側(cè)面反映該樣品具有最佳的摩擦學(xué)性能.綜上所述，織構(gòu)的形貌和密度對(duì)摩擦學(xué)性能影響顯著，相同的織構(gòu)結(jié)構(gòu)，其織構(gòu)面積即凹槽面積越大，可更有效地儲(chǔ)存潤(rùn)滑劑，提高樣品的摩擦學(xué)性能.

Fig.6 Wear scars of (a) W-400,(b) W-300 and (c) W-200;Worn surfaces of steel balls of (d) W-400,(e) W-300 and (f) W-200圖6 W-200、W-300和W-400樣品的磨痕與對(duì)偶球磨斑形貌

Fig.7 SEM micrographs of transfer films and EDS of steel balls at (a) T-200 and (b) W-200圖7 (a) T-200和(b) W-200樣品對(duì)偶球表面轉(zhuǎn)移膜形貌的SEM照片與EDS譜圖

Fig.8 Mechanism of current carrying lubrication of NbSe2 coatings on (a) strip and (b) mesh texture surfaces圖8 (a)條狀和(b)網(wǎng)狀織構(gòu)表面NbSe2涂層的載流潤(rùn)滑作用機(jī)理

圖7進(jìn)一步示出W-200與T-200樣品在穩(wěn)定潤(rùn)滑階段(4 000次循環(huán))載流摩擦后的對(duì)偶球表面形貌的SEM照片及對(duì)應(yīng)的EDS譜圖.與兩樣品摩擦的對(duì)偶球上均有不同程度的潤(rùn)滑劑轉(zhuǎn)移.T-200對(duì)偶球上的轉(zhuǎn)移膜松散雜亂[圖7(a)]，且能譜中Nb和Se元素的信號(hào)強(qiáng)度較弱，Se元素與Nb元素的分布離散且稀少.相比之下，圖7(b)中可以看到W-200樣品對(duì)偶球表面形成的磨斑均勻致密，且能譜中Nb和Se元素的信號(hào)強(qiáng)度高，表明對(duì)偶表面形成了完整的NbSe2潤(rùn)滑轉(zhuǎn)移膜.

結(jié)合以上分析，織構(gòu)表面NbSe2涂層的潤(rùn)滑作用機(jī)理如圖8所示.對(duì)于未織構(gòu)表面直接噴涂的NbSe2涂層，其結(jié)構(gòu)疏松，結(jié)合力弱.在載流摩擦過(guò)程中，摩擦力作用會(huì)很快破壞NbSe2涂層，所以不易在摩擦界面形成穩(wěn)定的潤(rùn)滑轉(zhuǎn)移膜，且產(chǎn)生的磨屑會(huì)加速電弧侵蝕磨損.對(duì)于織構(gòu)表面噴涂的NbSe2涂層，織構(gòu)結(jié)構(gòu)可以發(fā)揮兩個(gè)重要的作用以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定長(zhǎng)效的潤(rùn)滑：一是織構(gòu)凹槽可以起到有效存儲(chǔ)和補(bǔ)充潤(rùn)滑劑的作用，在摩擦過(guò)程中，疏松的NbSe2涂層隨著對(duì)偶球運(yùn)動(dòng)被推至周圍的凹槽中，同時(shí)往復(fù)運(yùn)動(dòng)也會(huì)將凹槽中的潤(rùn)滑劑帶回并補(bǔ)充至接觸面，最終在接觸面和對(duì)偶球上均形成致密的層狀滑移潤(rùn)滑膜，起到良好的減摩耐磨效果[27-29]；二是凹槽的存在可以捕獲接觸面上的磨粒狀磨屑，大幅減少載流作用下的電弧侵蝕.另外接觸界面上超薄的NbSe2潤(rùn)滑薄層以及金屬銅織構(gòu)邊緣受力的接觸形式還可賦予其良好的電接觸導(dǎo)電性.其中網(wǎng)格狀織構(gòu)形貌具有與運(yùn)動(dòng)方向同向以及垂直雙方向的凹槽，較條紋狀的織構(gòu)結(jié)構(gòu)，可以更好地起到捕獲磨屑以及再補(bǔ)充潤(rùn)滑劑的作用，而且隨著織構(gòu)密度的增加，改善效果更加明顯.綜上所述，相比于Cu基材直接噴涂NbSe2涂層，織構(gòu)技術(shù)的應(yīng)用有效提高涂層的載流潤(rùn)滑壽命，解決涂層與基底結(jié)合弱以及涂層耐磨性差的問(wèn)題.織構(gòu)間距為200 μm的網(wǎng)狀織構(gòu)表面噴涂的NbSe2涂層展現(xiàn)出最佳的真空載流摩擦學(xué)性能.

2.3 與現(xiàn)役滑動(dòng)電接觸材料性能對(duì)比

對(duì)比評(píng)價(jià)織構(gòu)表面NbSe2涂層與現(xiàn)役空間滑動(dòng)電接觸材料電鍍Au涂層的真空載流摩擦學(xué)性能.采用電鍍法在含有K2Au(CN)2的商業(yè)酸性浴中進(jìn)行電鍍金試驗(yàn)，在純銅基底上電鍍1層約厚6 μm的Au基涂層(0.2% Co)[30].

Fig.9 Comparison of vacuum current carrying friction coefficient and contact voltage between W-200 and electroplated coating圖9 W-200樣品與電鍍金涂層的真空載流摩擦系數(shù)與電接觸試驗(yàn)對(duì)比結(jié)果

圖9示出W-200樣品與電鍍金涂層在載荷為0.5 N、載流為0.6 A條件下的真空載流摩擦試驗(yàn)對(duì)比結(jié)果.電鍍金樣品的摩擦系數(shù)在0.25左右，且波動(dòng)較大，壽命約13 000次循環(huán)；W-200樣品的摩擦系數(shù)穩(wěn)定在0.05，壽命約22 000次循環(huán)，摩擦系數(shù)降至電鍍金涂層的1/5，潤(rùn)滑壽命提高至電鍍金涂層的1.5倍.在線測(cè)試的接觸電壓結(jié)果如圖9(b)所示，電鍍金樣品的平均接觸電壓為0.12 V，電壓波動(dòng)噪音為0.09 V.而織構(gòu)表面NbSe2涂層(W-200)的平均接觸電壓為0.2 V，電壓波動(dòng)噪音為0.04 V.由于NbSe2的電阻率要高于金(NbSe2電阻率為5.35×10-4Ω·cm，金電阻率為2.4×10-6Ω·cm)，但通過(guò)表面織構(gòu)的引入，仍然展現(xiàn)出與電鍍金涂層同一量級(jí)的導(dǎo)電性，且電噪音波動(dòng)明顯改善.總之，較現(xiàn)役的金電鍍層，優(yōu)化后的織構(gòu)表面NbSe2涂層在真空載流摩擦條件下展現(xiàn)出更加優(yōu)異的摩擦學(xué)和電接觸性能，摩擦系數(shù)由0.25降至0.05，接觸電壓與現(xiàn)役材料處于同一量級(jí)，電噪音波動(dòng)明顯改善，由0.09 V降至0.04 V.本研究中的結(jié)果表明織構(gòu)表面復(fù)合NbSe2新材料作為空間導(dǎo)電潤(rùn)滑材料具有顯著優(yōu)勢(shì).

3 結(jié)論

本文中探索了銅基材織構(gòu)化表面噴涂NbSe2涂層作為空間新型導(dǎo)電潤(rùn)滑材料的可行性，研究了條狀和網(wǎng)狀兩種織構(gòu)以及各自在不同織構(gòu)密度條件下噴涂NbSe2涂層的真空載流摩擦學(xué)性能和影響作用規(guī)律，并與現(xiàn)役的電鍍金涂層材料進(jìn)行了比較.結(jié)論如下：

a.網(wǎng)格狀較條狀織構(gòu)表面噴涂NbSe2涂層的載流摩擦學(xué)性能更好，而且隨織構(gòu)密度的增加，減摩耐磨性能得到提高.大密度的網(wǎng)格織構(gòu)更能有效地存儲(chǔ)潤(rùn)滑劑，使?jié)櫥瑒┰丛床粩嘌a(bǔ)充到滑動(dòng)接觸面上，形成薄而均勻的邊界潤(rùn)滑膜，既能起到有效潤(rùn)滑的作用，又能利用銅基材凹槽邊緣以及凸面NbSe2薄層結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)電流的高效傳輸.

b.較現(xiàn)役的金電鍍層，優(yōu)化后的織構(gòu)表面NbSe2涂層在真空載流摩擦條件下展現(xiàn)出更加優(yōu)異的摩擦學(xué)和電接觸性能，摩擦系數(shù)由0.25降至0.05，接觸電壓與現(xiàn)役材料處于同一量級(jí)，電噪音波動(dòng)明顯改善，由0.05 V降至0.02 V.