徐增闖 崔維鑫 賀景堅(jiān) 郝麗春 劉石神

1. 中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所，上海，200083 2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京,100049 3.中國(guó)石油化工股份有限公司石油化工科學(xué)研究院，北京，100083

0 引言

空間轉(zhuǎn)動(dòng)部件作為航天器在軌壽命的主要影響因素之一，其運(yùn)行可靠性、長(zhǎng)壽命等問(wèn)題越來(lái)越受到關(guān)注[1-3]。與航天器自身結(jié)構(gòu)不同，絕大多數(shù)空間轉(zhuǎn)動(dòng)部件內(nèi)部均存在有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的表面。為了保證轉(zhuǎn)動(dòng)部件滿足航天器在軌運(yùn)行壽命要求，需對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)部件進(jìn)行長(zhǎng)壽命潤(rùn)滑設(shè)計(jì)，這對(duì)需要長(zhǎng)期工作的空間轉(zhuǎn)動(dòng)部件尤為重要[4-5]，合適的潤(rùn)滑設(shè)計(jì)對(duì)空間轉(zhuǎn)動(dòng)部件的運(yùn)動(dòng)特性，甚至對(duì)航天器任務(wù)的成敗都有著密切的影響[6-7]。

采用純固體潤(rùn)滑時(shí)，摩擦副的摩擦因數(shù)相對(duì)較大，轉(zhuǎn)動(dòng)部件工作壽命較短，而液體潤(rùn)滑的潤(rùn)滑形式主要受到液體潤(rùn)滑劑量、轉(zhuǎn)動(dòng)部件轉(zhuǎn)速及載荷的影響。空間轉(zhuǎn)動(dòng)部件的轉(zhuǎn)速一般較低，且其內(nèi)部含有的液體潤(rùn)滑劑量較少，潤(rùn)滑狀態(tài)多處于邊界潤(rùn)滑[8-9]，摩擦副局部的點(diǎn)接觸會(huì)導(dǎo)致溫升較大，若溫度高于液體潤(rùn)滑劑的閃點(diǎn)，將加速液體潤(rùn)滑劑的降解。空間轉(zhuǎn)動(dòng)部件在發(fā)射前會(huì)經(jīng)歷儲(chǔ)存、地面試驗(yàn)和發(fā)射等過(guò)程，這就要求所使用的潤(rùn)滑劑需具有良好的環(huán)境適應(yīng)性。近年來(lái)，某些固體潤(rùn)滑劑和液體潤(rùn)滑劑組成的復(fù)合潤(rùn)滑體系能夠結(jié)合固體潤(rùn)滑劑和液體潤(rùn)滑劑各自的優(yōu)勢(shì)，明顯提高潤(rùn)滑壽命，滿足空間轉(zhuǎn)動(dòng)部件長(zhǎng)壽命潤(rùn)滑使用需求[10-12]。固體潤(rùn)滑劑和液體潤(rùn)滑劑的種類較多，固液復(fù)合潤(rùn)滑體系并不是二者的任意組合。當(dāng)固液體潤(rùn)滑劑復(fù)合時(shí)，因自身的物理、化學(xué)特性不同，會(huì)導(dǎo)致它們組成的固液復(fù)合潤(rùn)滑體系潤(rùn)滑特性差異較大，需要考慮二者的協(xié)同效應(yīng)、相容性、浸潤(rùn)性及空間轉(zhuǎn)動(dòng)部件自身的實(shí)際工況。

目前，對(duì)以MoS2基固體潤(rùn)滑薄膜固液復(fù)合潤(rùn)滑在空間轉(zhuǎn)動(dòng)部件的應(yīng)用已有相關(guān)研究[13]，而前期研究工作主要集中于摩擦學(xué)性能的評(píng)價(jià)上[14-15]，對(duì)固液復(fù)合潤(rùn)滑體系能否產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)的潤(rùn)滑壽命量化、微觀機(jī)理及如何選擇適當(dāng)?shù)囊后w潤(rùn)滑劑匹配等問(wèn)題尚缺乏數(shù)據(jù)支撐。本文的真空往復(fù)滑動(dòng)摩擦試驗(yàn)在高溫摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，簡(jiǎn)稱SRV試驗(yàn)，真空螺旋軌道摩擦試驗(yàn)簡(jiǎn)稱SOT試驗(yàn)。筆者在SRV、SOT試驗(yàn)中用的平盤(pán)試樣上射頻濺射制備MoS2薄膜，分別選擇815Z、RP4751和RIPP4758三種已在空間轉(zhuǎn)動(dòng)部件中成功應(yīng)用的空間液體潤(rùn)滑劑組成固液復(fù)合潤(rùn)滑體系，研究三種固液復(fù)合潤(rùn)滑體系在真空條件下的邊界潤(rùn)滑特性，重點(diǎn)對(duì)比三種固液復(fù)合潤(rùn)滑體系摩擦學(xué)匹配性，并進(jìn)一步深入研究其潤(rùn)滑機(jī)理，以期為高可靠、長(zhǎng)壽命空間轉(zhuǎn)動(dòng)部件潤(rùn)滑設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)參考。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

分別采用兩種規(guī)格440C不銹鋼平盤(pán)試樣用于固液復(fù)合潤(rùn)滑體系的真空SOT和SRV試驗(yàn)，兩種平盤(pán)試樣尺寸分別為φ50 mm×8 mm(用于SOT試驗(yàn))和φ24 mm×8 mm(用于SRV試驗(yàn))，兩種試驗(yàn)用的鋼球直徑均為12.7 mm。平盤(pán)試樣表面的MoS2固體潤(rùn)滑薄膜均是通過(guò)射頻濺射法制備，薄膜厚度為1±0.1 μm。分別選用RP4751合成碳?xì)湟后w潤(rùn)滑劑、RIPP4758硅碳?xì)湟后w潤(rùn)滑劑和815Z液體潤(rùn)滑劑作為固液復(fù)合潤(rùn)滑體系中的液體潤(rùn)滑劑，三種空間液體潤(rùn)滑劑主要理化指標(biāo)如表1所示。其中，RP4751合成碳?xì)湟后w潤(rùn)滑劑屬于聚α-烯烴(PAO)系列液體潤(rùn)滑劑，是由線性α烯烴加6個(gè)或多個(gè)碳原子聚合而成的直鏈飽和碳?xì)浠衔?，其邊界?rùn)滑性能優(yōu)良、飽和蒸氣壓較低且熱氧化穩(wěn)定性好；RIPP4758硅碳?xì)湟后w潤(rùn)滑劑屬于SiHC系列液體潤(rùn)滑劑，是由硅、碳和氫組成的單分子物質(zhì)，具有獨(dú)特的摩擦特性，RIPP4758具有優(yōu)異的熱和流變學(xué)性能、較寬的溫度使用范圍和突出的熱穩(wěn)定性。

表1 三種液體潤(rùn)滑劑主要理化性能指標(biāo)要求

1.2 試驗(yàn)方法

采用真空SOT、SRV試驗(yàn)分別考察純MoS2固體潤(rùn)滑、MoS2/815Z、MoS2/RP4751和MoS2/RIPP4758三種不同固液復(fù)合潤(rùn)滑體系的潤(rùn)滑壽命和往復(fù)滑動(dòng)摩擦因數(shù)。

(1)真空SOT試驗(yàn)用于測(cè)試潤(rùn)滑劑在接近軸承真實(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)工況下的邊界潤(rùn)滑性能。圖1是SOT試驗(yàn)的典型組成示意圖，其主要工作原理為：將50 μg初始油量的液體潤(rùn)滑劑涂覆在鋼球表面后，通過(guò)固定板施加載荷，鋼球在固定板和旋轉(zhuǎn)板之間滾動(dòng)、樞轉(zhuǎn)。因軌道是螺旋形的，故需通過(guò)接觸引導(dǎo)板使球每公轉(zhuǎn)一圈返回其原始軌道半徑，當(dāng)球接觸導(dǎo)向板時(shí)，通過(guò)安裝在導(dǎo)板上的壓電式力傳感器測(cè)出摩擦力。

圖1 螺旋軌道摩擦試驗(yàn)機(jī)示意圖

(2)真空SRV摩擦試驗(yàn)機(jī)用于測(cè)定球-盤(pán)接觸往復(fù)振動(dòng)摩擦，往復(fù)頻率為50 Hz，行程為1 mm。

真空SOT試驗(yàn)中，溫度為室溫(20±3 ℃)，真空度小于1×10-3Pa。每次SOT試驗(yàn)的液體潤(rùn)滑劑用量均為50 μg，詳細(xì)試驗(yàn)條件如表2所示。利用JSM-5600LV型掃描電子顯微鏡(SEM)和X射線能量色散譜儀(EDS)觀察磨斑表面顯微形貌和分析元素構(gòu)成,進(jìn)一步分析潤(rùn)滑劑的潤(rùn)滑機(jī)理。

表2 三種固液復(fù)合潤(rùn)滑體系邊界潤(rùn)滑性能測(cè)試條件

2 結(jié)果與討論

2.1 往復(fù)滑動(dòng)摩擦因數(shù)

MoS2/815Z、MoS2/RP4751和MoS2/RIPP4758三種固液復(fù)合潤(rùn)滑體系的真空SRV試驗(yàn)結(jié)果如圖 2所示，可以看出，三種固液復(fù)合潤(rùn)滑系統(tǒng)的摩擦因數(shù)在試驗(yàn)運(yùn)行開(kāi)始一段時(shí)間后均逐漸保持平穩(wěn)。試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，MoS2/815Z復(fù)合潤(rùn)滑摩擦副的往復(fù)滑動(dòng)摩擦因數(shù)為0.45， MoS2/RP4751復(fù)合潤(rùn)滑摩擦副的往復(fù)滑動(dòng)摩擦因數(shù)為0.16，MoS2/RIPP4758復(fù)合潤(rùn)滑摩擦副的往復(fù)滑動(dòng)摩擦因數(shù)為0.20。815Z、RP4751和RIPP4758三種液體潤(rùn)滑劑的往復(fù)滑動(dòng)摩擦因數(shù)分別為0.43、0.16和0.18，從中可以看出三種復(fù)合潤(rùn)滑系統(tǒng)的往復(fù)滑動(dòng)摩擦因數(shù)與單獨(dú)采用液體潤(rùn)滑時(shí)的往復(fù)滑動(dòng)摩擦因數(shù)相近，并無(wú)明顯變化。

圖2 三種固液復(fù)合潤(rùn)滑系統(tǒng)滑動(dòng)摩擦因數(shù)-時(shí)間曲線

2.2 MoS2/815Z復(fù)合潤(rùn)滑系統(tǒng)潤(rùn)滑壽命

通過(guò)真空SOT試驗(yàn)分別考察MoS2薄膜、MoS2/815Z固液復(fù)合潤(rùn)滑系統(tǒng)在真空中的摩擦學(xué)性能，二者的潤(rùn)滑壽命曲線如圖3所示，平均潤(rùn)滑壽命如圖4所示。從圖3和圖4中可見(jiàn)，相比較純MoS2固體潤(rùn)滑、815Z液體潤(rùn)滑，MoS2/815Z復(fù)合潤(rùn)滑系統(tǒng)表現(xiàn)出延長(zhǎng)潤(rùn)滑壽命的作用，其中815Z液體潤(rùn)滑劑的平均潤(rùn)滑壽命為200 圈/μg、MoS2為1610 圈/μg，而MoS2/815Z的平均潤(rùn)滑壽命則達(dá)到了2327 圈/μg，大于固體潤(rùn)滑和液體潤(rùn)滑潤(rùn)滑壽命之和。MoS2固體潤(rùn)滑膜與815Z液體潤(rùn)滑劑共同作用，表現(xiàn)出了良好的協(xié)同效應(yīng), 其潤(rùn)滑壽命相比較純MoS2固體潤(rùn)滑壽命提高了44%。

圖3 不同潤(rùn)滑劑下(MoS2/815Z、MoS2)鋼球摩擦因數(shù)-旋轉(zhuǎn)圈數(shù)曲線

圖4 不同潤(rùn)滑劑(815Z,MoS2、MoS2/815Z)下平均潤(rùn)滑壽命對(duì)比

純MoS2固體潤(rùn)滑、815Z液體潤(rùn)滑和MoS2/815Z固液復(fù)合潤(rùn)滑三種不同潤(rùn)滑狀態(tài)下的摩擦副起始摩擦因數(shù)如表3所示，其中MoS2/815Z固液復(fù)合潤(rùn)滑系統(tǒng)在真空SOT試驗(yàn)中的起始摩擦因數(shù)為0.060，大于純MoS2固體潤(rùn)滑的摩擦因數(shù)0.018，這是因?yàn)樵诠桃簭?fù)合潤(rùn)滑狀態(tài)下，摩擦副在摩擦過(guò)程中需要克服液體潤(rùn)滑劑的內(nèi)聚力，因此其摩擦因數(shù)要高于純MoS2固體潤(rùn)滑狀態(tài)下摩擦副的摩擦因數(shù)。

表3 不同潤(rùn)滑狀態(tài)下摩擦副起始摩擦因數(shù)

對(duì)于MoS2固體潤(rùn)滑，對(duì)偶轉(zhuǎn)移膜對(duì)其潤(rùn)滑性能具有至關(guān)重要的作用。圖5給出了SOT試驗(yàn)中對(duì)偶摩擦副平盤(pán)表面的MoS2固體潤(rùn)滑磨損軌道區(qū)域和MoS2/815Z復(fù)合潤(rùn)滑體系磨損軌道區(qū)域的SEM圖，圖6分別給出了MoS2固體潤(rùn)滑未磨損區(qū)、磨損軌道區(qū)和MoS2/815Z復(fù)合潤(rùn)滑體系磨損軌道區(qū)域形貌及其EDS分析譜圖。由圖6可以看出，MoS2固體潤(rùn)滑的溝道表面含有10.31%的Mo元素，MoS2/815Z復(fù)合潤(rùn)滑體系軌道磨損區(qū)域含有8.21%的Mo元素，表明MoS2/815Z復(fù)合潤(rùn)滑體系在摩擦過(guò)程中形成了有效的對(duì)偶轉(zhuǎn)移膜。

(a) 純MoS2薄膜對(duì)偶平盤(pán)表面SEM圖

(a) MoS2固體潤(rùn)滑未磨損區(qū)對(duì)偶平盤(pán)表面及EDS圖

從上述結(jié)果可以看出，MoS2/815Z固液復(fù)合潤(rùn)滑系統(tǒng)產(chǎn)生了協(xié)同潤(rùn)滑效應(yīng)，在真空環(huán)境下表現(xiàn)出了良好的邊界潤(rùn)滑性能。在真空SOT試驗(yàn)中，MoS2磨屑與815Z液體潤(rùn)滑劑混合在一起組成了混合潤(rùn)滑層。隨著鋼球轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)的增加，MoS2磨屑進(jìn)入815Z液體潤(rùn)滑劑中并隨著液體潤(rùn)滑劑輸送至摩擦接觸區(qū)域并及時(shí)填充摩擦副表面的損傷和微凹坑, 從而對(duì)摩擦副表面起到一定的修復(fù)作用, 在摩擦副表面形成穩(wěn)定的邊界潤(rùn)滑膜, 確保摩擦副潤(rùn)滑狀態(tài)的穩(wěn)定。與此同時(shí)，在摩擦副表面形成的MoS2轉(zhuǎn)移膜可有效降低摩擦副基材間直接接觸的概率, 進(jìn)而提高耐磨性。

2.3 MoS2/RP4751復(fù)合潤(rùn)滑系統(tǒng)潤(rùn)滑壽命

由圖7可見(jiàn)，相比較純MoS2固體潤(rùn)滑、RP4751液體潤(rùn)滑，MoS2/RP4751的復(fù)合潤(rùn)滑系統(tǒng)未能表現(xiàn)出延長(zhǎng)潤(rùn)滑壽命的作用。圖8所示為不同潤(rùn)滑劑的潤(rùn)滑壽命對(duì)比，可以看出，RP4751液體潤(rùn)滑劑的潤(rùn)滑壽命為3078 圈/μg、而MoS2/ RP4751復(fù)合潤(rùn)滑體系的潤(rùn)滑壽命為1160 圈/μg。

圖7 不同潤(rùn)滑劑(MoS2/RP4751、MoS2)下鋼球摩擦因數(shù)-旋轉(zhuǎn)圈數(shù)曲線

圖8 不同潤(rùn)滑劑(MoS2、RP4571、MoS2/RP4751)的潤(rùn)滑壽命對(duì)比

由表3可以看出，MoS2/ RP4751固液復(fù)合潤(rùn)滑系統(tǒng)在真空SOT試驗(yàn)中的穩(wěn)態(tài)摩擦因數(shù)為0.020，與純MoS2固體潤(rùn)滑的摩擦因數(shù)0.018相近。由此可見(jiàn)，MoS2固體潤(rùn)滑膜對(duì)RP4751液體潤(rùn)滑劑的吸附能力未能保證MoS2與RP4751液體潤(rùn)滑劑產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)。

通過(guò)對(duì)MoS2/RP4751復(fù)合潤(rùn)滑系統(tǒng)摩擦軌道表面狀態(tài)進(jìn)行EDS分析可知，其表面成分如圖9所示。摩擦表面有微量轉(zhuǎn)移膜，轉(zhuǎn)移膜中Mo含量較少，為6.06%。MoS2/RP4751復(fù)合潤(rùn)滑系統(tǒng)摩擦軌道寬度為884 μm，略大于純MoS2潤(rùn)滑摩擦軌道寬度值。由此可見(jiàn)，MoS2/RP4751復(fù)合潤(rùn)滑系統(tǒng)在摩擦過(guò)程中，其摩擦副表面未能形成有效的轉(zhuǎn)移膜，導(dǎo)致復(fù)合潤(rùn)滑系統(tǒng)比單獨(dú)MoS2固體潤(rùn)滑、RP4751液體潤(rùn)滑的摩擦學(xué)性能下降。

圖9 MoS2/RP4751對(duì)偶平盤(pán)表面的EDS圖

2.4 MoS2/RIPP4758復(fù)合潤(rùn)滑系統(tǒng)

MoS2/RIPP4758固液復(fù)合潤(rùn)滑系統(tǒng)摩擦副的摩擦因數(shù)曲線、潤(rùn)滑劑潤(rùn)滑壽命結(jié)果分別如10、圖11所示。從圖中可見(jiàn)，相比較單獨(dú)的MoS2固體潤(rùn)滑、RIPP4758液體潤(rùn)滑，MoS2/RIPP4758的復(fù)合潤(rùn)滑系統(tǒng)表現(xiàn)出延長(zhǎng)潤(rùn)滑壽命的作用，RIPP4758液體潤(rùn)滑劑的平均潤(rùn)滑壽命為1936圈/μg，而MoS2/RIPP4758復(fù)合潤(rùn)滑系統(tǒng)的平均潤(rùn)滑壽命則達(dá)到了2503圈/μg。

圖10 不同潤(rùn)滑劑(MoS2、MoS2/RIPP4758)下摩擦因數(shù)-旋轉(zhuǎn)圈數(shù)曲線

圖11 不同潤(rùn)滑劑(MoS2、RIPP4758、MoS2/RIPP4758)下平均潤(rùn)滑壽命對(duì)比

由表3可以看出，MoS2/RIPP4758固液復(fù)合潤(rùn)滑系統(tǒng)在真空SOT試驗(yàn)中的穩(wěn)態(tài)摩擦因數(shù)為0.020，與MoS2固體潤(rùn)滑的摩擦因數(shù)0.018相近。MoS2固體潤(rùn)滑膜與RIPP4758液體潤(rùn)滑劑表現(xiàn)出良好的協(xié)同效應(yīng), 其潤(rùn)滑壽命比單獨(dú)RIPP4758液體潤(rùn)滑壽命提高了29.3%。

對(duì)MoS2/RIPP4758復(fù)合潤(rùn)滑系統(tǒng)摩擦軌道表面狀態(tài)進(jìn)行EDS分析，如圖12所示。EDS檢測(cè)結(jié)果顯示，摩擦表面仍然留有少量轉(zhuǎn)移膜，轉(zhuǎn)移膜中Mo含量較高(12.46%)，S元素含量較低(0.65%)。復(fù)合潤(rùn)滑系統(tǒng)摩擦軌道寬度為833 μm，與純MoS2潤(rùn)滑摩擦軌道寬度值相近。由此可見(jiàn)，摩擦過(guò)程中摩擦副表面形成有效的MoS2轉(zhuǎn)移膜對(duì)復(fù)合潤(rùn)滑系統(tǒng)潤(rùn)滑性能提高有顯著影響。

圖12 MoS2/RIPP4758對(duì)偶平盤(pán)表面典型的EDS圖

3 結(jié)論

為研究不同固液復(fù)合潤(rùn)滑系統(tǒng)在真空邊界潤(rùn)滑工況下的潤(rùn)滑特性，本文對(duì)MoS2/815Z、MoS2/RP4751和MoS2/RIPP4758三種固液復(fù)合潤(rùn)滑系統(tǒng)進(jìn)行了真空SRV、SOT 試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明：

(1)MoS2/815Z固液復(fù)合潤(rùn)滑系統(tǒng)具有良好的真空摩擦學(xué)性能，其潤(rùn)滑壽命相比較純MoS2固體潤(rùn)滑壽命提高了44%。

(2)MoS2/RIPP4758固液復(fù)合潤(rùn)滑系統(tǒng)在真空環(huán)境下顯示出協(xié)同作用，在不影響摩擦副摩擦因數(shù)的情況下，其潤(rùn)滑壽命長(zhǎng)于單獨(dú)固體、液體潤(rùn)滑劑的潤(rùn)滑壽命。

(3)MoS2/RP4751復(fù)合潤(rùn)滑系統(tǒng)未表現(xiàn)出協(xié)同效應(yīng)，其潤(rùn)滑性能相比較單獨(dú)液體潤(rùn)滑劑的潤(rùn)滑性能較差。