聚合物转移膜的空间润滑应用

王子君，李春伟

(1.洛阳轴研科技股份有限公司，河南 洛阳 471039；2.北京控制工程研究所，北京 100080)

1 空间润滑中使用的固体润滑膜

空间机构中应用着齿轮、轴承等转动部件，必须进行可靠的润滑，以降低摩擦，提高安全寿命。空间润滑是一个特殊的应用领域，工作环境的真空度高，温度变化幅度大，部件之间的关联性强，工作可靠性要求高，有些功能运动部位不能应用液体润滑剂，只能采用固体润滑技术。

固体润滑为采用技术方法在相对运动的表面用固体润滑剂制作膜层以减小摩擦。早期利用擦涂方式将固体润滑剂黏附在工作表面；或者将固体润滑剂与黏结剂液体混合，通过喷滴跑合的方法在工作面制成涂敷薄膜。我国于20世纪80年代开始利用溅射或离子镀方法在表面形成气相沉积膜，这样形成的固体润滑膜的缺点是寿命较短，膜层一旦破损不可自我修复，会加速润滑失效。近年发展的离子注入技术是在工作表面材料内部形成复合膜，综合性能有较大改善。这些都属于预制型润滑膜，主要性能在使用之前均已确定。

下文所述的聚合物转移膜则是一种运动生成型固体润滑膜。用聚合物及其复合材料制成转动机构相对运动的零件，如齿轮、滑动轴承、滚动轴承保持架等，通过工作过程中的相对运动，利用摩擦把聚合物向对磨面转移，在相对运动的工作表面形成聚合物转移润滑膜层。其可以在工作过程中逐渐得到补充和更新，因此寿命较长，性能稳定，可靠度较高。通过运动部件预跑合形成的初始转移膜可有效避免空间运动金属部件表面间的冷焊现象。调节聚合物复合材料成分和比例可以控制磨损率，调节转移能力，提高转移膜与基体表面结合力，工况适应性较强。

2 用于空间转移膜的聚合物及其复合材料

聚合物及其复合材料应用于空间转移润滑膜有许多优点，如在真空条件下放气量低、对功能部件的污染度低、质量轻、摩擦系数小、加工及制造成本低等；但其同时也存在热膨胀系数大、承载能力低、尺寸稳定性差和导热率低等缺点。这些缺点可通过加入功能改性材料来弥补，因此，在设计制造聚合物润滑功能零件时，必须针对应用部位的功能要求综合考虑材料性能，选择适合的材料和工艺。

空间润滑用聚合物材料必须具有足够的机械强度和良好的尺寸稳定性，可以满足并保持加工精度，制成的功能部件能满足承载使用性能要求，实现机械运动零件的功能；要有适宜的摩擦性能，摩擦系数低且稳定，磨损量适中，可有效润滑工作表面，能转移到工作表面形成牢固转移膜；还要有较好的性能稳定性，能承受空间环境及温度变化，在使用期内保持性能基本不变。目前应用于空间转移润滑膜的聚合物主要是工程塑料，如聚四氟乙烯、聚酰亚胺、聚醚醚酮、超高分子量聚乙烯、聚甲醛等材料。由于空间润滑应用要求苛刻，且每种工程塑料都有其自身性能的局限性，故通常采用工程塑料复合材料用于空间转移膜。其工艺技术路线是利用工程塑料作为基体或黏结物质，共混复合一种或多种添加剂或填料，制成具有特殊性能的复合材料，用以制作齿轮、滑动轴承、滚动轴承保持架等功能部件。添加剂有二硫化钼、二硫化钨、碳纤维、玻璃纤维、铜粉、铅粉以及聚合物基纤维等。

聚合物复合添加其他功能材料的主要目的是：(1)增加材料的承载能力，通常用纤维及微粒改性塑料以达到此目的，其中，纤维的改性效果更加明显；(2)降低材料的摩擦系数和磨损速率；(3)增加聚合物复合材料的热传导性，聚合物是热的不良导体，工作表面易于聚集热量而导致温度过高，破坏材料分子结构。虽然大多数塑料都有自润滑性，添加剂材料的品种也较多，但由于空间应用环境的特殊性，目前只有少数几种工程塑料复合材料所形成的转移润滑膜在空间润滑实践中得到成功应用(表1)。

表1 应用于空间转移润滑膜的聚合物复合材料

3 聚合物转移润滑膜的形成及润滑机理

聚合物分子链的展开结构可降低材料的摩擦和磨损。提高聚合物表面分子展开链比例有利于实现转移减摩作用，形成稳定可靠的聚合物转移润滑膜。

聚合物是由重复单元即链节组成的高分子材料，分子量及链节的成分决定了聚合物的特性，分子的聚集状态影响聚合物的物理性能。聚合物的分子链通常呈折叠链状结构形式，然而在不同的成型和使用条件下聚合物分子的聚集状态和程度不同，控制结晶条件可以使聚合物分子由熔融态形成延伸链晶体结构，也可以在结晶温度以上通过退火处理而形成延伸链晶体；对聚合物施加机械应力可促使分子链展开。热塑性聚合物分子链之间没有化学键交联耦合，分子间结合力较小，该类聚合物可以重复加热改变形态，分子链在外力作用下易于伸展和滑脱。通过塑性变形，聚合物分子链可以沿施力方向展开。通过剪切作用，分子链会因扭曲和滑动而层叠，逐步按受力方向取向。这是聚合物具有润滑作用的结构基础。

聚合物材料可以形成某种剪切层以减小分子间黏附，适应接触表面相互移动而产生的刮擦作用。剪切层中聚合物分子向对磨面接触转移形成转移膜层，该剪切层和转移膜层越薄越好。在应力及温度共同作用下，聚合物分子可以在表面形成链状排列的有一定取向的膜层，降低表面摩擦力。在受到对磨面作用时，剪切层会有所变形，但其有自恢复能力，局部膜层的松脱及流出会导致剪切层流失和转移膜的形成；当剪切层厚度增加到一定数量时，即产生较大的黏附力和局部应力，增加摩擦，使表面产生磨损颗粒。聚合物的力学性能首先要能承受载荷引起的动态应力和切向摩擦应力；否则聚合物即会迅速磨损，发生塑性变形或脆性破裂。聚合物表面的初期磨损能使接触面积增加，导致聚合物表面的承载应力降低而减小磨损。初期阶段的低速跑合有利于形成剪切层和建立转移膜。

不同的聚合物形成的剪切层特性不同，生成的转移润滑膜受聚合物种类、材料配比、工作载荷、温度、转速等多因素影响，其承载能力亦有差别。不同种类的聚合物形成剪切层的能力和条件各异，聚四氟乙烯和超高分子量聚乙烯在空气中表面受到剪切力作用时可以形成伸展链形态的剪切层，但其基体强度较弱，易导致剪切层破坏，应采用不同功能的填料进行改性，增加基体强度，其受环境气氛的影响较小。聚酰亚胺却只能在真空条件或温度高于100 ℃的空气中才能形成剪切层，原因是常温的大气环境中聚酰亚胺分子能与空气中的水分子形成氢键，阻止分子链被拖到表面形成延伸分子链，不能形成剪切层和转移膜层。在空气中对聚酰亚胺材料所作的摩擦试验结果表明，当其与钢干摩擦时，摩擦系数较大且不稳定；在真空环境下的摩擦试验表明，聚酰亚胺对钢的摩擦系数可稳定在0.02的低水平。聚合物形成的转移膜的承载能力各不相同，转移膜能阻止基体材料表面的粗糙化。

4 影响聚合物转移膜的因素

摩擦副材料及结构是决定聚合物转移膜的关键因素，然而在工作面上形成的聚合物转移膜层性能还受其他因素的影响，寿命与可靠性差别较大。通过对不同试验条件下聚合物材料的摩擦现象进行分析，认为影响聚合物转移膜层性能的因素主要有以下几种。

4.1 载荷及应力

只有当载荷及滑动产生的切向应力小于临界值时， 聚合物才能起润滑作用。根据载荷及应力的不同，出现了两种截然不同的磨损模式。当载荷及应力较小时，聚合物表面形成的剪切层较薄，磨损表面表现为剪切层的逐层剥离，磨损量随着载荷呈线性增加；当载荷及应力较大，超过某一临界值时，聚合物基体的磨损呈脆性破裂，产生块状磨损物，磨损量随着载荷呈指数增加。

4.2 接触面积

在载荷一定的情况下，接触面积决定接触应力，增加接触面积可降低接触应力，使磨损量变小，但接触面积过大则使转移膜材料产生局部堆积，导致高摩擦和磨损。因此，当接触应力在材料的许用应力值之下时，应尽量减小接触面积。

4.3 滑动速度

其对聚合物转移膜的影响表现在两个方面：过高的滑动速度使接触处由于摩擦产生高温，使聚合物或添加剂分解；然而适宜的滑动速度产生的温升有利于聚合物分子移动形成剪切层。因此，特定的聚合物材料应有适宜的滑动速度，滑动速度过低对转移膜的形成不利。

4.4 气氛

固体润滑剂对气氛十分敏感，石墨只有在吸收了气体及蒸汽时润滑性才好；二硫化钼在不吸收气体及蒸汽时才具有更好的润滑性。聚合物分子链中活泼原子能与水分子形成氢键，从而限制了分子链的表面移动，形成延伸链结构的能力降低，不会形成润滑表面层，因此，气氛有可能影响聚合物及内部固体润滑剂的润滑性能，必须针对空间应用的具体特点进行试验选择，大气环境中的试验不能完全反映空间应用状况。

4.5 温度

聚合物分子链的运动状态与温度息息相关，在塑料的玻璃化转变温度以上，高分子链的运动加剧；而在该温度之下只能有分子侧链或链节的运动，这种运动方式影响聚合物表面剪切层的形成及作用。温度也使聚合物复合材料内部的其他成分发生不同的变化，进而影响材料的摩擦和磨损性能。当达到一定温度以上时，聚合物材料便失去了力学性能，聚合物的耐低温性较佳，然而过低的温度使材料的脆性增大。

4.6 辐射

应用于空间的聚合物材料不可避免地要遭受太阳光的辐射，对其分子结构破坏最大的光线是X射线及紫外线，受辐射后分子链吸收能量导致交联和断链，降低力学性能。吸收红外光辐射使聚合物热分解。分子链或其侧链上有芳香族官能团的能吸收部分光能，因此，耐辐射能力较强；有效的屏蔽能减少辐射对聚合物性能造成的危害。

4.7 原子氧

低地球轨道中的主要成分是原子氧，其会与碳和银等迅速反应生成氧化物，使材料的性能发生变化。采用聚合物材料制作的部件长期工作在有原子氧的气氛之中会加速材料的氧化速度，应引起足够重视。

5 结论

(1)聚合物转移润滑膜是通过相对运动摩擦在对磨面形成的固体润滑膜。这种固体润滑方式结构简单，成本低，寿命长，可靠度高，是一种有效的固体润滑技术。

(2)聚合物分子在温度和应力作用下能在表面形成剪切层，其中分子呈伸展链形态，易于向对磨面转移形成转移润滑膜。

(3)聚合物转移润滑膜的润滑性和承载能力主要由材料成分决定，工作寿命和可靠度与工况环境有关。为了提高聚合物转移膜的应用可靠性，应尽量在接近使用条件的试验环境内作充分试验。