环境真空度对不同含氟基础油摩擦学性能的影响

黄志洋，张建荣，杨 鹤，彭 茜

(中国石化石油化工科学研究院，北京 100083)

环境真空度对不同含氟基础油摩擦学性能的影响

黄志洋，张建荣，杨 鹤，彭 茜

(中国石化石油化工科学研究院，北京 100083)

通过真空四球摩擦试验机开展不同含氟基础油在不同环境压力下的摩擦学试验，采用扫描电子显微镜、X射线光电子能谱仪等分析手段对磨损表面进行分析，结果表明：相对于常压条件，在真空条件下全氟聚醚油(PFPE)类基础油的抗磨减摩性能均变差，而氟硅油类基础油的抗磨能力变好，减摩能力变差，可能是由于在摩擦过程中，氟硅油与金属表面生成了一种含有Fe—Si键的物质，使得氟硅油在真空条件下抗磨能力提高。

氟硅油 润滑机理 高真空 全氟聚醚油 抗磨减摩性能

Kannel[1]等研究发现，航天飞行器存在诸多摩擦学问题。以往的研究表明，在真空条件下，两个洁净的摩擦副表面在摩擦过程中非常容易发生黏着，这是由于在真空条件下，摩擦副表面在摩擦过程中无法形成足够的氧化膜造成的[2-3]。含氟类润滑油在摩擦过程中与摩擦副表面形成润滑膜，可以有效地解决这一问题，因此自20世纪70年代以来国内外对其进行了大量的研究[4-7]。氟硅油和全氟聚醚油(PFPE)是两种常用的空间用液体润滑剂，由于以往我国缺乏模拟太空机件工作条件的润滑性能评定手段，对这两类油在高真空条件下的基础研究不多。因此，在高真空条件下开展模拟空间工况条件的摩擦模拟试验，研究含氟类基础油在常压及真空条件下的摩擦机理具有极大的应用价值和理论意义。

1 实 验

1.1 实验材料

选用2种氟硅油A-1、A-2和4种全氟聚醚油B-1，B-2，B-3，B-4作为基础油进行试验，样品的性质列于表1中。

表1 基础油的性质

1.2 实验内容

在Plint公司生产的TE 91型真空四球摩擦试验机上进行常压及真空条件下的摩擦试验。试验条件为：载荷200 N、转速100 r/min、时间1 h和温度为室温。真空中的摩擦试验则是当实验舱内压力不大于5.0×10-4Pa时，开始摩擦试验。试验件为符合GB 308、直径为12.7 mm的10级GCr15轴承钢球。试验前，将钢球和夹具在无水乙醇与石油醚组成的混合溶液中超声清洗3次。试验结束后，在金相显微镜下读取底部3个钢球的磨斑直径，求平均值。同一样品在同一条件下重复试验3次，所有试验结果为3次试验平均值。

利用Quanta 200 FEG型扫描电子显微镜进行磨斑表面形貌和元素分析，实验参数为：高真空模式下，分辨率为小于2.0 nm，加速电压为20 kV；利用ESCALab 250型X射线光电子能谱仪分析磨斑表面元素化合态变化，激发源为单色化Al KαX射线，能量为1 486.6 eV，功率为150 W。窄扫描所用通透能为30 eV。分析时的基础真空度约为6.5×10-8Pa。结合能用烷基碳或污染碳的C1s峰(284.8 eV)校正。

2 结果与讨论

2.1 抗磨减摩性能

将氟硅油和全氟聚醚油两类基础油在常压和真空条件下进行摩擦试验所得的磨斑直径和摩擦因数进行对比，其结果分别如图1和图2所示。

从图1可以看出，在试验中涉及的含氟基础油样品中，以B-2试验后具有相对较小的磨斑直径，其中氟硅油类样品在常压下试验后的磨斑直径大于在真空条件下的磨斑直径，而全氟聚醚类样品在真空条件下试验后造成较大的磨斑直径。从图2可以看出，氟硅油和全氟聚醚油样品均是在真空条件下试验的摩擦因数较大。

图1 含氟系列基础油试验的磨斑直径■—常压； ■—真空。 图2同

图2 含氟系列基础油试验的摩擦因数

2.2 润滑机理探讨

对于全氟聚醚油，冯大鹏等[7]对其润滑及失效机理做了较为详细的介绍，并且PFPE的试验结果与其相似，因此不再赘述。对于氟硅油，以A-1为代表，分析其润滑机理。

2.2.1 显微形貌分析 对A-1在常压及真空条件下试验得到的磨斑进行SEM扫描分析及EDS元素区域分布分析和点分析，结果如图3及图4所示。

图3 A-1常压磨斑的SEM照片

图4 A-1真空磨斑的SEM照片

从图3可以看出，A-1在常压条件下试验的磨斑表面有小裂纹，沟槽不明显。而从图4可以看出，A-1在真空条件下试验的磨斑表面以沟槽为主，磨屑主要集中在磨斑边界处。由此可以看出，在常压条件下，A-1在摩擦过程中产生的表面相对于真空条件较为光滑，摩擦因数较小；而在真空条件下，摩擦过程中产生的磨屑随摩擦试验的进行逐渐堆积，产生的黏滞力较大，因此在真空条件下的摩擦因数大大增加。

对A-1在常压和真空条件下试验的磨斑进行EDS元素分布分析，所选区域为整个磨斑，点分析位置分别如图3和图4所示。

对A-1在常压及真空条件下各元素含量进行计算，结果列于表2。

从表2可以看出：在常压条件下，磨斑表面只有少量的F元素存在，Si元素含量极低，说明A-1在常压摩擦试验条件下，参与反应较少；在真空条件下，F元素和Si元素的含量相对较高，说明在真空条件下A-1在摩擦试验进行过程中，参与摩擦反应的程度更高。

表2 A-1在常压及真空条件下试验的磨斑元素含量 w，%

2.2.2 XPS分析 分别对A-1在常压及真空条件下试验的磨斑进行XPS分析，并对真空条件下试验的磨斑进行不同深度溅射处理，对比分析结果，结合A-1的分子结构，探讨其润滑机理。文献[8]中指出，A-1的分子结构式如图5所示。

图5 A-1分子结构

对C，F，Si，Fe等元素的峰进行拟合分析，结果如图6及图7所示。

从图6(a)可以看出，在常压条件下产生的磨斑表面，C元素在284.83，286.24，288.68 eV处的峰分别属于C—Si键，C—O键，C—F键，这主要是属于氟硅油分子本身中含有的与C元素相关的键。从图6(b)可以看出，F元素在684.21 eV和687.94 eV处的峰分别属于F元素与金属形成的键和C—F键，其中以C—F键为主，说明在摩擦过程中氟硅油以吸附在钢球表面为主，只有小部分F元素与钢球表面的金属元素发生了反应。从图6(c)可以看出，Si元素在102.49 eV处的峰为氟硅油分子本身中存在的含Si元素基团的峰，Si元素在摩擦过程中并未参与化学反应。从图6(d)可以看出，Fe元素在709.44 eV处的峰为FexOy或FeFx的峰，这两种化合物的键能基本一致，无法区分开来，但从图6(b)得知，至少有FeFx存在。由以上分析可知，在常压条件下，在摩擦过程中，氟硅油以吸附在钢球表面为主，只有少量的F元素参与摩擦反应生成FeFx。

—C1s; —C—Si; —C—O; —C—F

—F1s; —C—F; —M—F

图6 A-1常压磨斑XPS扫描分析结果

—C1s-10 s; —C—Si; —C—O; —C—F; —C1s-2 min; —C—O; —C—F

—F1s-10 s; —M—F; —C—F; —F1s-2 min

—Si2p-10 s; —Si—C; —Si—Fe; —Si2p-2 min

—Fe2p-10 s; —Fe2p-2 min图7 A-1真空磨斑XPS扫描分析结果

从图7(a)可以看出：在真空条件下产生的磨斑表面，溅射10 s后，C元素的峰与图6(a)中的峰基本一致，都是氟硅油中与C元素相关的键；溅射2 min后，C—Si键的峰消失，C—F键和C—O键的信号非常弱，说明溅射2 min后，A-1在磨斑表面的吸附层基本上被除掉。从图7(b)可以看出：溅射10 s后，F元素以在683.43 eV位置处的FeFx峰为主，而C—F键的峰信号较弱；溅射2 min后，C—F键的峰信号消失，只有FeFx的峰存在，说明在真空条件下，在摩擦过程中，F元素参与了化学反应，形成了一层FeFx膜，起到了润滑作用。从图7(c)可以看出，溅射10 s后，在102.20 eV处的峰为氟硅油中Si元素的峰，在99.00 eV位置处的峰为Fe—Si键的峰，相比于图6(c)，在99.00 eV位置处的峰为新出现的峰，说明Si在摩擦过程中也参与了反应。从图7(d)可以看出，溅射2 min后，Fe元素的峰产生了一定的位移，在709.20 eV位置处的峰明显变弱，而在723.35 eV处的峰基本消失，这是由于溅射时间越长，磨斑表面剩余的FeFx等物质就越少，信号就越弱，而FexOy基本上被除去。由以上分析可知，在真空条件下，在摩擦过程中，氟硅油会形成吸附膜和化学反应膜共同起到润滑保护作用，其中化学反应膜是以FeFx为主的金属氟化物膜和包含Fe—Si键的物质共同组成的。

2.2.3 润滑机理分析 综上分析可知，在常压摩擦过程中氟硅油A-1在摩擦表面以吸附为主，参与化学反应为辅。机理是源于空气中的O元素在摩擦过程中与氟硅油中的F元素在摩擦表面竞争吸附且O元素更易与金属发生反应，阻碍了氟硅油与摩擦表面的金属元素形成化学反应膜。同时，O元素会与Fe元素形成FexOy，从而起到一定的抗磨作用。而在真空条件下，由于缺乏O元素来源，因此在摩擦过程中，更多的氟硅油会参与化学反应，生成具有更好的抗磨性能的FeFx和FeSix，因此在真空条件下得到的磨斑小一些。文献[7]指出，FeFx是一种脆性物质，在摩擦过程中不断被清除，产生大量磨屑并堆积，因此在真空摩擦过程中摩擦阻力较大，摩擦因数相比于常压条件下更大。

3 结 论

(1) 不同的含氟基础油在环境真空度发生变化时，其摩擦学性能变化规律不同。真空中全氟聚醚油的抗磨减摩性能，比常压条件下差；而氟硅油，相对于常压条件，真空条件下的抗磨性能变好，减摩性能变差。

(2) 在真空条件下氟硅油会在摩擦过程中与金属表面发生化学反应，生成含有Fe—Si键的物质，使其在真空条件下的抗磨性能提高。

[1] Kannel J W，Dufrane K F.Rolling element bearings in space[C].Twentieth Aerospace Mechanisms Symposium，NASA CP-2423，1986：121-132

[2] 张松伟，胡丽天，王海忠，等.两种含氟空间润滑油的真空摩擦磨损行为研究[J].摩擦学学报，2012，32(6)：619-625

[3] 王泽爱，陈国需.液体润滑剂在航天上的应用[J].润滑油，2007(6)：37-42

[4] Jr Jones W R.The preliminary evaluation of liquid lubricants for space applications by vacuum tribometry[C].28th Aerospace Mechanisms Symposium，1994

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[6] Jr Jones W R.Properties of perfluoropolyethers for space applications[R].NASATM-106616，1994

[7] 冯大鹏，翁立军，刘维民.全氟聚醚润滑油的摩擦学研究进展[J].摩擦学学报，2005，25(6)：597-602

[8] Yang Jiedan，Yang He，Xu Jing，et al.Structure characterization of fluorosilicone oils[J].China Petroleum Processing & Petrochemical Technology，2011，13(4)：53-57

TRIBOLOGICAL BEHAVIOR OF FLUORIDE BASE OILS IN ATMOSPHERE AND VACUUM ENVIRONMENT

Huang Zhiyang， Zhang Jianrong， Yang He， Peng Qian

(SINOPECResearchInstituteofPetroleumProcessing，Beijing， 100083)

By use of vacuum four-ball tribometer， the tribological behaviors of a series of base oils with fluorine were evaluated in air and vacuum environment， respectively. The worn surface was analyzed by scanning electron microscopy， X-ray photoelectron spectroscopy. The results show that relative to the atmospheric pressure condition， the anti-wear and friction reduction properties of perfluoropolyether oils (PFPE) are all degraded in vacuum， while the anti-wear properties of the fluorosilicone oils is improved and the friction reduction ability becomes poor in the same environment. This is due to the formation of new substance with Fe—Si bond during the friction process.

fluorosilicone oil； lubrication mechanism； high vacuum； perfluoropolyether； anti-wear and friction reduction properties

2015-06-25。

黄志洋，硕士研究生，主要研究方向为高真空条件下摩擦学行为。

张建荣，E-mail：zhangjr.ripp@sinopec.com。

中国石油化工股份有限公司合同项目(st13145-19)。