空间摩擦学及其材料的研究进展

钟爱文， 姚萍屏， 肖叶龙， 周海滨， 贡太敏

(中南大学 粉末冶金国家重点实验室，长沙410083)

空间摩擦学及其材料的研究进展

钟爱文， 姚萍屏， 肖叶龙， 周海滨， 贡太敏

(中南大学 粉末冶金国家重点实验室，长沙410083)

综述了空间苛刻服役环境及其对空间摩擦学材料性能影响的研究，深入分析了空间环境对空间摩擦材料、空间耐磨材料和空间减摩材料摩擦磨损机理的影响。空间摩擦材料主要应用于空间对接机构及空间机械臂中，应具有稳定的摩擦力矩与优良的抗黏着磨损性能。空间耐磨材料主要应用于空间轴承、齿轮和密封件等部件中，如Fe-Al金属间化合物在高温下抗蠕变性急剧下降，常通过添加金属元素(Ce，Cr，Mn，Mo，Nb，W等)及固体润滑剂提高材料抗蠕变性能；Ti及其合金常通过表面改性改善黏着性；与基体结合性良好的耐磨涂层可以较大程度的改善材料的耐磨性。空间减摩材料主要指润滑剂与自润滑材料，如软金属Pb、高分子材料PI和PTFE等，以及某些金属的氧化物，氟化物和硫化物等，能较好地降低材料表面的摩擦因数。随着航天科技的发展，亟须开发新型高性能空间摩擦学材料，建立摩擦学材料数据库，以应对国际航天技术发展的挑战。

摩擦学材料；空间环境；摩擦；耐磨；减摩

空间运载机构(运载火箭等)和飞行器(人造地球卫星、载人飞船、空间站、空间探测器等)中部分材料在相对运动过程中将产生摩擦磨损，与地面应用相比较，空间环境具有高真空、高辐照以及高低温交变等特点，材料在摩擦磨损过程中具有其特殊性，需要开展针对性的研究，从而诞生了空间摩擦学。

空间各类运动部件是空间摩擦学的主要研究对象，如：太阳能电池板和天线的展开与锁定装置以及自锁与反自转装置、空间对接机构离合制动器、空间机械臂传动轴、空间自润滑谐波减速器、滑环、轴承和齿轮等。具备不同功能的空间机构对材料摩擦磨损性能的要求存有差异，其中，空间对接机构中的离合制动器和空间机械臂中的传动轴等利用材料之间的摩擦效应来传递能量，实现制动与离合，而轴承、齿轮、凸轮、轴承密封装置和滑环等应极力降低材料的摩擦和磨损，尽可能减小因摩擦导致的能量损失及表面损坏，使系统维持一个稳定的摩擦过程，为长期实现高精度和可控的运动过程提供保障。

空间应用中涉及摩擦磨损的材料，统称为空间摩擦学材料。与传统摩擦学材料相比，空间摩擦学材料在空间苛刻服役工况下(高真空、原子氧、微重力、宇宙射线和高低温等)的摩擦磨损行为复杂。例如：空间旋转部件用润滑材料在交变温度及辐射等复杂环境中需保持优良润滑性能，以保证系统定位和换位精度及使用寿命要求；大型展开式定向和跟踪天线的铰链材料在宇宙射线及原子氧的直接轰击下应仍能保持较低摩擦因数；高真空中，太阳能电池板伸缩部件(收放与自锁等功能)及门闩用材料需抗高真空冷焊；空间机械臂的变速箱和传感器连接部件在舱外高低温交变环境下服役，其轴承、齿轮等材料需无脆性与蠕变性，且润滑剂保持可靠的润滑性。

在空间技术发展过程中，由于对相关空间摩擦学及其材料研究不充分可能导致重大事故的发生。图1列举了部分由于摩擦学材料/部件失效而引发的航天事故，如“哥伦比亚号”航天飞机与大气间的高速摩擦产生过度高温使得机外隔热瓦受损而解体坠毁，因此，空间摩擦学及其材料对航天事业的发展至关重要。

为了解决空间摩擦学及其摩擦学材料问题，美国国家航空航天局(NASA)、欧洲空间局(ESA)、日本航空与航天发展局(NASDA)以及俄罗斯宇航局(RKA)等均建立了比较完善的空间摩擦学及其材料的研究机构，开展了较深入和系统的基础研究。我国航天事业起步较晚，虽然自21世纪以来，我国空间摩擦学及其材料的研究发展迅速，但仍与航天强国存在差距。本文从空间摩擦学材料的苛刻服役环境总结着手，概述空间服役环境对空间摩擦学及摩擦学材料性能影响方面的研究成果，阐述空间摩擦学及其材料的发展趋势，为更深入探索空间摩擦学尤其是空间摩擦学材料提供研究指导。

图1 苛刻服役环境下由摩擦学问题而引起的航天事故Fig.1 Shuttle accidents caused by tribology in harsh service environment

1 空间苛刻服役环境

空间摩擦学材料通常部分或全部经历地面试验、地面存储、运输发射、太空运行和返回等过程，其工作环境复杂且多变，在轨运行期间，不同高度轨道处的空间环境不同。在低轨道环境中，强侵蚀性的高活性原子氧通量密度较高，易导致材料氧化失效等；而在高轨道上，超高真空、微重力、剧烈温度交变和强辐射等恶劣条件将导致材料损伤甚至破坏，如高真空和高温会导致接触界面发生黏着，加剧材料磨损。空间环境下的各种恶劣因素往往会产生协同作用，加速摩擦学材料破坏，如图1中“鑫诺2号”卫星因谐波减速器润滑不良而导致太阳能电池板和天线的展开失败。因此，要保证空间摩擦学材料在空间苛刻服役条件下的正常使用，就必须阐明各环境因素及多重环境因素对材料摩擦磨损性能的影响机理。

1.1 高真空

航天器距离地球表面越远，其所处的真空度(量级)越高。在高真空条件下，材料表面摩擦膜再生困难[1]，摩擦表面易形成原子结合，导致接触面间黏着，摩擦因数显著增加，最终导致凸点处可能发生冷焊，材料剥落和转移，摩擦表面粗糙度增加，磨损加剧。

在高真空中，摩擦副间的热对流基本消失，摩擦热主要以热辐射与摩擦副间的热传导进行散失且散失困难，致使摩擦表面局部温升快，温度高，加剧冷焊现象的发生。如空间金属-陶瓷摩擦副中，金属的延展性优于陶瓷，摩擦生热使得金属产生塑性变形，金属-金属键断裂，裂纹萌生扩展，最终金属在剪切力作用下被撕裂，向陶瓷表面转移，导致冷焊的发生[1]。

空间摩擦副在高真空条件下的间歇操作与小角度摆动(微振磨损)同样易导致材料发生冷焊。在间歇操作中，预载荷增大或静止时间延长，特别是动静摩擦转换过程中，冷焊倾向加剧；微振磨损对材料产生的损伤破坏较一般的太空外来冲击更严重。

高真空对固体润滑剂的性能也产生较大影响，如滑环之类的摩擦副材料中一般添加石墨(固体润滑剂)，而石墨易因高真空而失去水分，破坏层状结构，失去润滑性，进而加剧材料磨损，产生的磨粒将破坏导电通路。石墨与MoS2等润滑剂的磨损率随气压降低而增大，而聚四氟乙烯(PTFE)却始终保持稳定的摩擦学性能。

1.2 原子氧

低轨道残余大气中80%的成分为原子氧(AO)，其通量密度与距离地面高度间的关系如图2所示[2]。由图可知，低轨道运行的空间机构一直处于高通量原子氧环境中，这将对暴露在舱外的空间机构(如舱外机械臂和太阳能电池板展开机构)的摩擦部件产生较大影响。

图2 低轨道原子氧通量(量级)与高度之间的关系[2]Fig.2 Relationship between low orbit atomic oxygen flux and height[2]

在低轨道10-5Pa量级压强下，高能量和强氧化性的原子氧携5.3 eV的动能与摩擦学材料表面高速碰撞，高通量原子氧的碰撞动能总和相当于几千度的高温，引起材料表面高温氧化，导致材料表面发生严重侵蚀、质量损失、尺寸不稳定及性能退化等现象，尤其对部分有机材料破坏更为严重[3]。原子氧破坏性强，除了氧化物及Au以外，绝大多数润滑剂在原子氧中的寿命都不超过10年。

1.3 微重力

空间微重力环境(10-3～10-6g)下，液体静压力消失，表面张力被束缚，自然对流基本消除，浸润和毛细现象加剧，靠重力循环进给润滑油的作用将消失。在微重力环境中，重力与其他作用力(电磁力，惯性力，表面张力等)相比较小，因此，摩擦副的受力分布与地面完全不同，航天机构易受摩擦力矩扰动而发生抖动，尤其是末端抖动效应更加明显，所以空间摩擦副必须具有较稳定的摩擦因数(摩擦力矩)，否则将严重影响精密光机电设备和定向机构的速度与位置精确控制，甚至对航天器对接与分离、太阳电池阵与天线展开等产生不利影响。

1.4 宇宙射线

在太空中，航天器及其零部件受到宇宙产生的各种电磁辐射(γ射线、X射线和紫外线辐射等)和粒子辐射(高能电子、质子、太阳风等)的直接照射，分别对摩擦学材料造成侵蚀与冲击破坏。

宇宙射线易使有机润滑油降解，因而，在长期服役的空间摩擦学材料中，一般采用固体润滑剂替代有机润滑油，但部分固体润滑剂对宇宙射线也比较敏感。如，在宇宙射线照射下，石墨易产生各向异性膨胀，降低了材料的摩擦学稳定性[4]；有机润滑材料的尺寸稳定性与机械性能易改变，失去原本的润滑性能。

因而，为有效降低宇宙辐射对空间摩擦学材料的损伤，需了解空间机构活动部件用摩擦学材料所能承受的射线种类、强度及累积剂量，以研制抗辐射性能更优的摩擦学材料，此外，也可采用屏蔽防护措施来减轻空间摩擦副的损伤，从而更好地完成空间任务。

1.5 高低温环境

空间摩擦学材料所处的温度环境一般分为三种：高温环境、低温环境与交变温度环境。

1)高温环境与低温环境

空间摩擦学材料常见的高温与低温服役环境如表1所示[5]。在高真空下，摩擦学材料服役产生的热量难以散失，再叠加所处高温环境的热量，致使空间高温用轴承和齿轮等对材料的抗蠕变性能及其润滑剂的耐高温性能要求更高；在低温环境中，空间固体摩擦学材料易产生脆性，且绝大部分润滑油已达到倾点，失去润滑性，需采用固体润滑剂替代，如空间望远镜中的滤光转换装置、齿轮传动装置及轴上的滚珠轴承等常使用MoS2(固体润滑剂)进行润滑。

2)交变温度环境

航天器在轨运行期间反复进出地球阴影，温度交替变化范围宽，且随轨道高度(如低地球轨道-160～+120 ℃)和季节等变化而变化，剧烈的温度变化对空间摩擦学材料的性能产生较大影响。在低地球轨道中，运行周期为90 min，工作寿命为30年的航天器，将承受17500次左右的热循环，这种长期的热循环使材料内部累计大量热应力，易发生疲劳磨损。特别是复合材料，当其增强物与基体间 的热膨胀系数失配时，材料内部的热应力诱发基体微裂纹萌生扩展[6-7]，导致材料破坏。对此，常采用合理的热膨胀系数匹配来降低温差变化对空间摩擦学材料性能的影响，进而提高材料的热稳定性与抗温度变形能力。

表1 空间常见的高、低温环境

2 空间摩擦学材料

传统摩擦学材料在空间极端复杂环境下易产生冷焊、热疲劳和表面侵蚀等破坏，地面优良的摩擦学性能得不到发挥，无法满足空间环境的使用需求，强烈制约着航天事业的发展，因此，随着研究的不断深入，大量新型空间摩擦学材料不断被研制与开发。

2.1 空间摩擦材料

空间摩擦材料常用于空间机构的制动与离合，对空间任务的完成起关键作用，如空间机械臂传动装置与空间对接机构用摩擦材料。

1)空间机械臂用摩擦材料

在太空中，舱外机械臂具有抓取空间设备和在轨加注等功能，其臂杆长一般在10 m左右，负载质量大(十几吨到上百吨不等)，末端允许的制动距离不超过1 m，其服役时间为10年左右，这要求制动器摩擦副或谐波齿轮传动减速器(简称谐波减速器)摩擦材料具有低磨损率、高而稳定的摩擦因数和长的使用寿命。机械臂用摩擦材料需克服苛刻的使用环境：Viking lander号可伸缩型、MPL& PHX多关节型、Beagle 和MSL等机械臂在低温下使用，需保证摩擦材料本身无脆性；火星探测器中的喷气推进遥感转向节等机械臂的使用温度较高[5]，摩擦材料应具有抗蠕变与耐高温性能。

目前，传统机械臂用摩擦材料难以满足空间苛刻的使用需求。NASA研究表明：航天飞机机械臂关节制动器石棉/酚醛树脂摩擦副虽能满足地面试验性能要求，但在空间条件下的制动性能大幅衰减[8]，且酚醛树脂等有机复合摩擦材料受强辐照后易发生交联、聚合和断链而失效[9]。而空间机械臂用陶瓷摩擦材料在地面模拟试验下，通过调整制动片间隙可以使关节制动器功率始终保持在1 W稳定展开，但其空间使用性能指标是否达标尚待验证[10-11]。对于铜基粉末冶金摩擦副，其在机械臂运作过程中能抗制动冲击，但受制动距离的限制：制动距离过短，短时制动力矩升高，臂杆抖动；制动距离过长，机械臂易与航天器发生碰撞，因此，在苛刻服役环境下，合适而稳定的摩擦因数及低的磨损率成为空间机械臂用摩擦材料的关键要求，机械臂及其相应的摩擦副材料如图3所示，摩擦副装在图3(a)的A中。

图3 空间机械臂模拟图(a)及其相应的摩擦副材料(b)Fig.3 Space manipulator simulated image (a) and friction pairs (b)

2)空间对接用摩擦材料

运载火箭的运输能力有限，构建大型空间工作站必须依靠空间对接的方式来完成。空间对接装置是航天器与航天器或空间站交汇对接的关键部件之一，直接关系到对接的成败。如“异体同构式”对接机构摩擦材料应具有：航天器接近时的减速制动、传动及过载保护，航天器脱离时的反推离合及对接碰撞时的缓冲耗能等功能[12-15]，而发达国家对此技术高度封锁，所以对此类材料的相关报道甚少，这种对接机构及其相应的摩擦副材料如图4所示，其中，图4(a)中A为对接机构的离合制动器，摩擦副安装在A中。

目前，中南大学研制的空间对接用摩擦材料已处于应用阶段，主要采用铜基粉末冶金摩擦材料，其一般由基体组元、摩擦组元和润滑组元构成。其中，MoS2是一种优异的润滑组元，具有较好的润滑作用[16-18]。MoS2在还原性气氛甚至惰性气氛中烧结会发生复杂的分解，如空间用铜基粉末冶金摩擦材料在烧结前后MoS2的变化(如图5所示)，硫化产物往往具有与MoS2相似的结构与润滑特性[12]，同时生成能提高材料摩擦因数的硬脆相。随着摩擦组元的增多，润滑组元的减少，材料的摩擦因数与硬度逐渐提高，摩擦表面光滑平整，提高了材料的摩擦稳定性，但是过多的硬脆相往往会使材料表面产生过多微裂纹，磨损加剧[16]。

图4 空间对接机构(a)及其相应的摩擦副材料(b)Fig.4 Spatial docking system (a) and friction pairs (b)

图5 空间用铜基粉末冶金摩擦材料烧结前后的XRD谱 (a)烧结前；(b)烧结后Fig.5 XRD spectrum of copper based powder metallurgy friction material used in space (a) before sintering; (b) after sintering

空间对接用铜基粉末冶金摩擦副，首次在满足空间对接功能和环境的要求下，能在预定的分离轴上实现对接机构的可控释放与分离。此材料可以随外界条件的变化能动地调节摩擦副的摩擦学性能，受空间恶劣环境影响较小，具有导热性优良、耐磨性好、摩擦因数高、对对偶零件的磨损小，且无论在大气还是真空环境下的摩擦磨损性能均比较稳定等特点，因为在不同真空度下，摩擦表面形成不同的摩擦膜，对材料的摩擦磨损性能产生重要影响，如图6所示。在大气环境下，材料表面形成氧化膜(摩擦膜)[19]；而在高真空环境下，空气介质从摩擦表面解吸，摩擦膜(主要由石墨和金属硫化物等构成)的抗剪切能力较弱，易滑移，产生良好的润滑作用，摩擦副的摩擦因数较低且稳定，随着真空度的降低，材料的摩擦因数减小(如图6所示)，磨损量先降低后增加，磨损机理由以磨粒磨损为主转变为以黏着磨损为主[20]。

铜基粉末冶金摩擦材料在不同工作压力和速度下服役时，具有稳定的摩擦力矩与优良的抗黏着磨损性能，保证了飞行器对接的安全，使我国成为能提供对接机构摩擦副材料的国家之一。此摩擦副已成功应用于神舟八号、九号、十号载人飞船与“天宫一号”太空实验舱的在轨自动和手动交会对接机构与转位机构中，不仅标志着我国在多功能空间摩擦副材料的研制方面的突破，更填补了国内这一技术领域的空白。

图6 空间用铜基粉末冶金摩擦材料的摩擦磨损性能 随压力的变化[13] (a)摩擦因数;(b)磨损量; (c)摩擦因数稳定度Fig.6 Relationship between pressure and tribologcal performance of copper based powder metallurgy friction material (a)friction coefficient; (b)wear loss;(c)stable coefficient

随着我国航天技术的不断发展，预计在2020年我国将完成空间站的初步建设，空间站的建设需要货运飞船提供物资补给，因而空间重载条件下的对接将对原有的空间用铜基粉末冶金摩擦材料提出更高的要求。与对接机构相比，空间机械臂的工作频率高、在轨服役时间长及工作负荷大等苛刻工况特点，对摩擦材料的使用寿命及可靠性提出了更高要求。因此，在接下来的研究工作中，需研制满足空间重载条件下新型空间摩擦材料，并对其使用寿命及安全可靠性进行评估，使航天任务得以顺利实施。

2.2 空间耐磨材料

在空间恶劣环境下，空间轴承、齿轮和密封件等用空间耐磨材料需具有优良的耐磨性，同时耐磨涂层的使用延长了材料的使用寿命，以保证空间机构长期稳定工作。

2.2.1 耐磨材料

1)Fe-Al金属间化合物

Fe3Al金属间化合物拥有密度小、弹性模量高、耐腐蚀、抗氧化以及成本低等优点，近年来的研究证明Fe3Al是一种潜在的空间耐磨材料。但Fe3Al金属间化合物具有致命的缺陷，当温度达到600 ℃时，材料的强度与抗蠕变性急剧下降，降至室温时材料具有脆性，这都妨碍材料的发展与应用[21]。为改善材料在空间环境中的性能，常在材料中添加Ce，Cr，Mn，Mo，Nb，W等元素[22]及部分固体润滑剂，在明显改善材料组织性能的同时，提高了材料的摩擦磨损性能。如，经过热压烧结后含WS2(固体润滑剂)的Fe-28Al-5Cr基复合材料在真空条件下的摩擦因数显著下降，且磨损率随WS2含量的增加而降低，磨损机理由严重的剥层磨损和疲劳磨损逐渐转变为轻微的剥层磨损且摩擦表面变光滑，材料空间摩擦学性能明显提高[24]。

2)Ti及其合金

Ti及其合金因导热率低，弹性模量低，摩擦因数高，在空间环境下易于黏着。在模拟空间环境下，Ti及TC4合金(Ti-6Al-4V)经原子氧辐射后表面生成TiO2，其磨损机理主要为黏着磨损、磨粒磨损和塑性变形[24]。与大气环境下相比，空间条件下的Ti及TC4合金摩擦因数增加，Ti的磨损降低，而TC4合金的磨损加剧[25]。当真空环境温度降低时，TC4合金磨损表面具有黏着特征，其摩擦因数降低，磨损加剧，具体表现为：较低速滑动时，摩擦表面产生裂纹；较高速滑动时，裂纹被表面塑性变形痕迹所代替。较低的磨损抗力限制了Ti及其合金材料在空间摩擦学中的应用，如在高真空环境下，太阳能电池帆板中的钛合金销表面产生强烈的黏着，甚至冷焊。

随着航天器机动性能的提高及推重比的增大，其减重尤为重要。Ti及其合金因具有密度小、比强度高、耐腐蚀性强和无磁等优异性能而成为航天器的首选材料，常通过表面改性(等离子喷涂，离子注入和MoS2共沉积等)进行改善其黏着性，且已应用于美国的“阿波罗”工程和“水星”计划的摩擦部件中。目前相对国外，国内Ti及其合金摩擦磨损性能的研究主要集中在地面大气环境下，在空间环境下的研究较少。

2.2.2 耐磨涂层

空间用耐磨涂层是在基材表面涂覆一层与基体结合性良好且耐磨的材料，常用空间耐磨涂层及其性能如表2所示[24,26-27]。

表2 空间用耐磨涂层

其中，DLC膜(非晶碳膜)的性能与金刚石相似，具有奇特的碳矩阵结构，拥有优异的耐磨性和较低的摩擦因数(一般在0.2以下，真空下为0.006～0.010)，且机械性能优良，是一种优异的表面抗磨损改性膜，现广泛用于空间运动部件(轴承和齿轮等)的保护涂层。如在月球车铰链运动副中，GCr15轴套与镀DLC膜轴瓦构成的摩擦副具有优异的摩擦学性能。

在高真空环境下，非晶结构的DLC膜具有不稳定性，温度升高导致DLC膜向稳定石墨相转变；高内应力使得DLC膜与基体结合强度下降(DLC膜在2 μm以上厚度时与基体脱落)。DLC膜的主要缺陷是热稳定性差和薄膜内应力高(通常为GPa量级)[28]，常通过掺杂(Si，Ti，F，N等元素)与退火热处理来改善DLC膜的摩擦学性能与物理机械性能[29-32]。

在高真空条件下，H对DLC膜的摩擦学行为产生严重影响：H的自由键钝化导致接触面间接触力较弱[33]，H原子的释放能润滑摩擦表面[34]。当DLC膜H含量较高时，膜的摩擦因数与磨损量都较低；反之，H含量较低或无H时，膜的摩擦因数和磨损量较高。Andersson等[35]采用阴极电弧法制备无氢DLC膜，等离子增强化学气相沉积法制备高H含量的DLC膜，在10-6Pa压强下，高H含量DLC膜摩擦因数小于0.01，而无氢DLC膜摩擦因数约为0.6，因此，DLC膜需要高含量的H来抑制C—C相互作用，在一定程度上改善材料的摩擦状态。Donnet等[36]研究表明，氢化DLC膜(α-C ∶H)和Ti/α-CH(Ti)膜在高真空条件下能出现超低的摩擦因数与磨损率，其摩擦学行为受沉积条件影响较大。

DLC膜的结构，服役条件(载荷、温度、湿度等)和摩擦副的匹配状况对膜的摩擦学性能影响也较大[37]。在较低温度时，具有硬/软亚层交替的DLC多层膜的摩擦学性能较稳定；当Ti-6Al-4V合金与DLC膜之间夹一层Si膜时，材料在摩擦过程中将呈现出较低的摩擦因数与磨损量，冷焊得到抑制[38]；DLC膜在真空高速低载下具有更低的摩擦因数[39]；等离子体基离子注入法(PBII)制备的TiN/DLC和TiN/Ag固体润滑膜，与基体间的成分和结构过渡良好[40]，且TiN/DLC膜互为摩擦副的耐磨性优于TiN/DLC膜-TiN/Ag膜摩擦副。

某些空间耐磨涂层不仅具有耐磨性，还具有高真空环境下的抗冷焊与原子氧环境下的抗氧化等性能。在高真空条件下，金属-金属间发生冷焊，常以不同材料组构摩擦副，或镀层抑制冷焊的发生。如Al2O3，ZrO2和Cr2O3等薄膜层，聚酰亚胺SP3，镀银MoS2及包含固体润滑剂在内的复合材料(如Ni-P-PTFE复合镀层)均能有效降低材料的磨损率，防止冷焊。然而，高真空条件下的冷焊并非都是不利的，如锡青铜与对偶钢发生黏着，从锡青铜中转移出的Sn元素使摩擦表面形成良好的转移膜，明显改善了锡青铜合金的摩擦学性能，降低摩擦噪声[41]。在原子氧照射下，碳基材料单位面积质量损失率几乎与暴露时间成正比，且强烈取决于材料表面的温度，Si浸润能提高碳基材料的摩擦学性能[3]。除了改善材料自身的性能外，还可以通过微弧氧化、真空镀膜及纳米复合电刷镀等来提高材料抗原子氧能力[42-43]。

2.3 空间减摩材料

空间运动部件(如轴承和滑块等)常在表面涂敷润滑剂或采用自润滑材料来降低材料表面的摩擦因数，以保证航天器整个运行过程中各功能的有效实施。液体润滑剂在低温下易达到其倾点，凝成固态，此时，传统的液体润滑剂将不再适应，用固体润滑剂或减摩涂层取而代之。

2.3.1 固体润滑材料

空间固体润滑剂一般包括部分软金属(如Pb)、高分子材料(如PI和PTFE等)及某些金属的氧化物，氟化物和硫化物等(如PbO，MoS2，WS2和BaF2)等，其性能及应用范围如表3所示[12-13,44-45]。其中NASA的Lewis研究表明，PTET是目前最好的超低温固体润滑剂[46]。

高分子材料是我国航天工业赖以支撑的主要润滑材料(润滑剂与自润滑材料)，合理地使用将有效降低活动部件的摩擦力矩，并延长材料的使用寿命。其中，聚酰亚胺、聚四氟乙烯和聚醚醚酮等应用最广泛。

1)聚酰亚胺

聚酰亚胺(PI)是一种低磨耗，低摩擦因数，高分解温度(450～600 ℃之间)，耐低温(温度降至-269 ℃仍具有较好的韧性)，且物理机械性能优良的自润滑材料与固体润滑剂，其应用广泛。如PI常用于航天器的轴承，液氢温度下的高压密封部件等；可加工性优良的PI/PTFE(聚酰亚胺/聚四氟乙烯)常用作液压活塞套、活塞套筒、低温密封环等减磨件；短切纤维/PI复合材料常用于运载火箭液氢贮箱低温密封结构件。与大部分高分子材料类似，原子氧与紫外线会使PI表面分子链降解，部分苯环遭到破坏，纳米TiO2可提高其抗原子氧与紫外线剥蚀能力[47]。

2)聚四氟乙烯

聚四氟乙烯(PTFE)耐高低温(在-180～250 ℃温度范围内可长期工作)，低温下仍保持较好的延展性，且摩擦因数极低(约0.5)，广泛应用于无油润 滑工况，尤其适用于滑动速率较低，压力不高的服役条件。然而，PTFE硬度低，易磨耗，耐蠕变和抗原子氧性能等较差限制了其应用，常添加不同填充剂改善其性能。

表3 常见固体润滑剂的性能对比

3)聚醚醚酮

聚醚醚酮(PEEK)树脂具有较好的自润滑性，已成功应用于火箭的螺栓、螺母及发动机的零部件等；对PEEK树脂进行共混，填充和材料复合(石墨，碳纤维和PTFE等)等增强改性处理，可以得到低摩擦因数、耐磨损、耐热、耐腐蚀、抗疲劳和抗冲击性能更优的材料。

2.3.2 减摩涂层

在空间机构中，减摩涂层的使用主要是为了降低摩擦副的摩擦因数，MoS2基薄膜是应用最广泛的减摩涂层之一。在真空中，纯MoS2薄膜的摩擦因数非常低，具有较长的使用寿命与优良的摩擦学性能[48]，且对精密运动部件无影响。然而，镀MoS2基薄膜的空间机械部件在地面(特别在潮湿大气)的安装、调试和贮运过程中易氧化，降低了材料的摩擦学性能。因此，常在MoS2基薄膜中添加一些元素或化合物来改善上述缺陷，具体改善措施如表4所示[49-54]。

运行条件、基体种类与S/Mo原子比都会对MoS2基薄膜的摩擦学性能产生影响，影响结果如表5所示MoS2基溅射薄膜在空间轴承中应用较多[55]，如9Cr18马氏体不锈钢摩擦副镀MoS2基溅射膜后，材料的摩擦因数明显下降，且在真空条件下更低[56]。

表4 改善MoS2基薄膜性能的方法

表5 MoS2基薄膜摩擦学性能影响因素

3 结束语

综上所述，在恶劣的空间环境下，传统的摩擦材料已经暴露出诸多的不适用性，如高真空下的冷焊、各种辐射引起表面的侵蚀和冲击破坏、原子氧轰击下的高温氧化与交变温度产生的热应力使材料物理化学性能及摩擦学性能发生改变，因此世界各国就新型空间用摩擦学材料的研制与开发开展了大量工作，研究成果已在空间机构中得到广泛应用。

目前，我国航天事业发展迅速，但与美俄英等航空大国相比，空间摩擦学材料的研究存在一定差距。虽然空间摩擦材料已在空间对接机构、货运飞船、空间机械臂等中得到应用，但基于其工作特点，仍需全面开发新型高性能空间摩擦副材料，并着重探讨在重载条件下的摩擦学性能及使用寿命，深入研究各种空间环境下的摩擦磨损机理，使用寿命及失效机理，从而获得新型高性能的空间摩擦学材料。

随着我国航天事业的进一步发展，对空间耐磨材料和空间减摩材料要求越来越高，在满足苛刻服役环境下的使用性能外，还需保证摩擦学系统的低摩擦、低磨损及长寿命的要求。由于摩擦副材料的研究周期一般较长，且空间耐磨及减摩涂层具有经济、环保、缩短研发周期及性能优良等优势，而在将来的发展中具有巨大潜力。

对空间环境地面模拟试验设备的改进是实现上述材料设计改进的保障，进而从微观角度深入地分析材料的失效机制，为新型空间摩擦学材料的研究提供理论基础，从而建设新型高性能空间摩擦学材料数据库，满足苛刻的空间服役环境与面临国际空间技术发展的挑战。

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(责任编辑：张 峥)

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(3)省部级以上基金资助的项目，请注明基金类别和基金号，基金号也可录入到Acknowledgement项目中。

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摘要为论文耳目，其内容应为文章的核心精华。它独立于正文而存在，应准确、具体、完整地概括原文的创新之处。中文摘要以200～400字为宜，英文摘要不少于250 words。

(1)研究论文摘要需包含研究的问题、过程和方法、结果或结论三部分内容。通常直接指明研究问题不需要背景信息，如需介绍背景信息以不超过一行文字为宜，过程和方法应尽量详细陈述，结果或结论应明确列出。

(2)综述论文摘要应对文章所述内容的核心思想进行简明归纳，如研究现状的具体情况、未来发展的具体趋势等。

(3)摘要叙述要完整，清楚，简洁明了。英文摘要尽量用短句子并同时句型尽量不单调，用过去时态叙述作者工作，现在时态叙述作者结论。

(4)摘要中最好不要出现类似“本研究是对过去工作改进”等词语。同时也不必谈及未来计划和对什么工作有意义。

研究论文的引言(前言)部分以500～1000字为宜。引言部分应包含研究背景、国内外研究进展及存在的不足、本工作的研究内容三部分。研究进展应为最新进展、引用文献应包括国内外的文献(最好不进行二次引用)、中英文参考文献数量应不少于15篇。

参考文献应是文中直接引用的公开出版物，且在文中引用出应“[文献序号(右上角标)]”顺序标注。参考文献著录格式可在期刊网页下载《论文格式要求》。

关键词以3～5为宜，最多不超过7个。关键词应能代表论文的核心内容。

四、其他约定及说明

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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

国家自然科学基金(51175516，51475476)；粉末冶金国家重点实验室资助(621020006)

姚萍屏(1969—)，男，博士，教授，主要从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