空间温度环境下复合材料摩擦学研究进展

郑 菲

(淮阴工学院 江苏省凹土资源利用重点实验室，江苏 淮安 223003)

空间温度环境下复合材料摩擦学研究进展

郑 菲

(淮阴工学院 江苏省凹土资源利用重点实验室，江苏 淮安 223003)

随着空间技术的发展，空间任务对摩擦学的需求持续增长。运动机构的良好润滑是保证航天器高效可靠运行的关键技术之一。空间领域的摩擦和润滑通常涉及多次启停、极端温度、高/低速、超高真空等特殊工况，要求润滑材料与技术具有高可靠性，某些情况下(如卫星和星际探测器等)还要求具有超长寿命。分析空间温度环境的特点，对聚合物材料在空间苛刻的温度环境中的摩擦磨损性能研究进行了综述，并结合目前研究进展，指出空间温度环境下聚合物材料摩擦学的发展方向。

温度；聚合物材料；摩擦磨损

0 引言

自1957年前苏联发射了第一颗人造地球卫星开始，人类的太空活动已接近60年。很多国家已发射卫星、飞船以及空间实验站等，并开展了一系列的太空活动。2009年中国科学院公布的《中国至2050年空间科技发展路线图》明确提出了在空天科学与深空探测能力、空天技术能力、对地观测与综合信息应用能力等方面的发展路线。航天器在轨运行期间所面对的复杂空间环境和运行工况会对聚合物材料的结构与性能产生影响，进而影响航天器的寿命及可靠性。NASA研究表明，相当比例的机械部件故障是由润滑失效引起的[1]。伴随着航空航天技术的发展，空间机械的润滑问题成为空间润滑材料的研究重点。目前空间常用的润滑材料主要包括四大类，层状结构固体润滑材料(如石墨，二硫化钼等)、低摩擦聚合物(如PTFE，PI)、软金属和低摩擦非层状无机化合物[2]。二硫化钼在真空中具有优异的减摩抗磨性能和良好的承载性能，广泛应用于卫星天线驱动系统以及太阳电池帆板机构等。金属基润滑材料具有高强度、耐高低温及耐磨损等优点，可用于高温及高负载工况。聚合物基润滑材料具有轻质、动静密封性能好以及良好的减震抗噪效果等特点，其中聚四氟乙烯基自润滑材料已广泛应用于航天动密封结构中。随着空间科学的发展，对材料的性能提出了更高的要求，尤其是复杂的空间环境，空间用材料不仅要具有良好的机械性能，还需要具有突出的耐空间环境性能。由于受到实验设备的影响，目前针对空间温度环境对材料摩擦学性能影响的研究还较少，本文就空间温度环境下聚合物材料的摩擦学性能进行了综述。

1 空间温度环境的特点及地面模拟设备

1.1 空间温度环境

空间环境通常包括超高真空、极端温度及温度交变、原子氧、粒子辐射、微重力等。针对空间机械的内部运动部件来说，温度和真空度的影响更大一些。由于受到运行轨道、姿态、方位、结构形态以及表面性质的影响，航天器在运行过程中处于温度交变的环境中。太空中的飞行器在向阳面飞行时，要承受来自太阳光的强辐照，其表面温度可达200℃以上，背阳面飞行时，表面温度可低至-200℃，这就要求航天器能够在极端温度以及大温差环境中正常运转[2]。

1.2 地面模拟设备

研究空间环境对材料性能影响最有效、最可信的方式是空间飞行试验。但空间暴露实验的成本过高，而且所能搭载材料的数量及次数有限，不便于进行系统深入研究。因此，研究人员开始建立地面模拟实验系统方便进行加速模拟试验以及实时跟踪空间环境中材料的性能演变，揭示空间环境效应的作用机理，为空间应用提供一定的理论依据。目前，美国、俄罗斯、欧空局和日本都建有空间环境试验设备。我国自1961年开始也研制了KM系列、BZ系列等大型空间热环境模拟设备，并已为“神舟”系列载人飞船完成了真空热试验[3-4]。

除了上述大型的空间模拟器外，很多研究机构根据研究需要研发了一些小型的实验装置。为了研究适合空间环境的润滑材料，2008年中国科学院兰州化物所自行研制出空间温度环境模拟设备，如图1所示。其中，包括真空环境模拟和交变温度环境模拟，内部还组建了摩擦实验机构。

与空间暴露试验不同，地面模拟设备一般只能研究单一环境因素或多种因素顺序作用，很难再现真实的太空环境中多种环境共同作用的工况。

图1 空间温度环境模拟装置

2 空间温度环境下聚合物材料的摩擦学性能

影响温度环境下相对运动部件间摩擦学性能的因素除温度外，还包括相应气氛介质、材料表面物理机械性能以及以上因素的相互作用与影响。

针对低温摩擦学的研究一般在低温液体介质、低温气体介质或真空中进行。液氮(LN2)是一种惰性且价格低廉的低温液体，因此大多数摩擦学研究以此为工作介质。液氦(LHe)一般应用于超导领域，液氢(LH2)和液氧(LOX)则多应用于航空航天推进系统中。低温摩擦学的研究主要存在两种理论[5]。一种理论认为，低温下材料的杨氏模量增加，相同载荷下的变形以及实际接触面积比室温时小，进而摩擦系数的变形项减小；实际接触面积减小又会引起粘附项减小，因此得到的低温下的摩擦系数比室温小。另一种理论则认为，低温下材料的剪切强度增加引起摩擦系数的粘附项增加[6]。Gardos是这种理论的主要支持者，他[7]认为低温下PTFE以块状形式转移到对偶上，因此低温下的摩擦系数较高。

由于聚合物材料存在玻璃化转变，材料的弹性模量和剪切强度与温度之间通常不成线性关系[6]。对于玻璃化转变温度在150K以上的聚合物，50K左右会有少量的机械损伤，在更低温度会出现隧道效应[8]。不同的聚合物具有不同的热力学行为，这都会使其摩擦学性能产生差异。

2.1 温度对真空中材料摩擦学性能的影响

在真空中研究材料的摩擦学性能可以消除介质环境的作用，单纯考虑温度的影响。在摩擦稳定阶段，摩擦表面温度是影响摩擦磨损行为的关键因素。由于摩擦热的作用，摩擦界面温度一般要高于所设定的环境温度。摩擦界面温度过高可能会引起材料发生化学反应或者降解，进而对其摩擦学性能产生影响。Samyn等[9]研究发现摩擦热的积聚会使摩擦界面温度比环境温度高10～30℃。当摩擦表面温度达到材料玻璃化转变温度甚至熔融温度，摩擦系数存在一个转变点。真空环境中由于缺少传热介质，热量只能通过直接接触方式进行传导，环境温度、聚合物以及对偶钢球的导热系数都会影响摩擦面的温度。一旦摩擦热引起的温升很大，这会引起材料表面物理化学性质的变化，体系变得相对复杂。

Burton等[10]认为在4～200K之间，硬质材料的动/静摩擦系数与温度无关，而是与磨损有关；然而对于较软的PTFE来说，其摩擦系数与磨损关系不大，而是与温度有关，并且不随热循环次数而改变。本文作者研究也发现室温时聚酰亚胺和聚四氟乙烯的摩擦系数均高于其在低温时的摩擦系数，且低温下磨损率显著降低[11-12]。

影响系统效率的因素主要有:开关损耗、控制电路功率损耗、电容ESR损耗、电感磁芯损耗和线圈损耗、电路板线上损耗辅助电源损耗等[10-11]。可采取以下方法提高变换器效率:

Theiler等[13-14]考察了固体润滑剂(MoS2和石墨)对不同温度下PEEK复合材料摩擦磨损行为的影响，发现在室温和100℃时由于低接触压力下固体润滑剂不能有效的转移到对偶上，添加固体润滑剂后的摩擦系数与未添加时比较接近；而在-40℃时由于PEEK硬度增大导致复合材料变形减小，引起接触压力增大，有利于MoS2在对偶上形成均一的转移膜并起到润滑作用，因此该温度下MoS2改性PEEK复合材料的摩擦系数显著降低；而石墨改性PEEK复合材料低温时的摩擦系数升高，对偶上可以看到厚且不均匀的转移膜。

Qu等[15]比较了PTFE、PF和Ekonol复合材料在真空低温下的磨损行为，发现PTFE复合材料的磨损率比较稳定，基本不受真空和温度的影响；低温下PF复合材料中PF基体与填料结合强度降低，导致填料剥落，磨损严重；Ekonol复合材料在低温下发生严重的疲劳磨损。

2.2 介质环境中材料摩擦学性能的研究

目前大多数低温摩擦学性能测试都是在低温介质中进行的。在过去数十年间，PTFE及其复合材料因其优异的摩擦学性能被广泛研究甚至已经成功应用到航空领域。除了PTFE外，研究人员也关注了超高分子量聚乙烯(UHMWPE)、聚三氟氯乙烯(PCTFE)、聚酰胺(PA)以及PEEK等聚合物材料的低温摩擦学性能[16-18]。大多数研究表明由于液氮介质中材料变形减小，摩擦系数和磨损呈现减小趋势，但摩擦磨损机理与聚合物材料有关。与大气环境不同的是，PI在液氮中的主要磨损机理是粘着磨损[18]，而由于低温时PA6分子间氢键作用增强，PA6表现出强的抗磨性[16]。PTFE复合材料在液氮中的磨损机理与滑动速度有关。低滑动速度下，PTFE发生局部变形以及表面疲劳[19]；高滑动速度下，摩擦热的作用下PTFE分子可以转移到对偶表面[16-17]。然而Michael认为77K时摩擦系数与速度无关[20]。Bozet发现速度在0.05～4 m/s之间时，PI摩擦系数基本保持不变；小于2m/s时粘着为主，2m/s以上变形占主导作用[18]。Theiler也发现速度为1.0，0.2，0.06m/s时PTFE摩擦系数保持不变[21]。

一些学者[17,21-22]研究表明复合材料的组成对其室温下的摩擦学性能影响很大，但填料以及纤维的种类和含量对复合材料在液氮中的摩擦系数没有影响，而是影响其磨损行为。低温时由于分子处于冻结状态，PTFE带状结构不易破坏，能有效阻止材料的磨损。这时摩擦系数不再与转移膜是否形成有关，而是与两摩擦副之间的真实接触面积有关[22]。

低温下的研究发现与室温相比，LN2中的摩擦系数和磨损率都减小。但摩擦系数和磨损率的降低与低温介质温度没有直接关系，而是与摩擦界面温度有关。低温介质的热性能，尤其是蒸发热和热导率，会直接影响其降温效率，进而影响到聚合物材料的摩擦学性能。Theiler[21]和Friedrich[22]研究了不同低温介质环境对PTFE复合材料摩擦学性能的影响，发现不同介质环境影响很大；温度同样77K，液氮中的摩擦系数低于氦气中摩擦系数；高速时三种低温液体介质中LHe中的摩擦系数最高，低速时三种液体介质中的摩擦系数相差不大。他们认为这一结果与降温效率有关，可以通过低温介质的热性能进行解释。由于聚合物导热性差，摩擦热导致接触界面的温度升高，这种情况下热量向介质环境的传递显得尤为重要[21]。只要两摩擦副发生相对运动，就会产生摩擦热，摩擦面上的液体介质就开始蒸发并形成气泡带走摩擦热，起到降温的效果。气泡形成阶段，由于蒸发需要很多热量，因此这时摩擦面温度和介质温度相近。随着滑动速度升高，摩擦热增多，气泡的尺寸和数量逐渐增大最终在接触表面形成一层气膜，如图2所示。与液体相比，低温气体介质的传热效率比较低，成核到膜层沸腾的转变伴随着温度的急剧升高。他们粗略的计算了摩擦界面的热流密度(qr)，并与低温介质的热通量(qc)进行了对比。在高滑动速度时，液氦介质中qr远高于qc，摩擦界面与液氦已经完全被一层气膜隔开，接触面上的热传递与氦气(77K)时一样，因此摩擦系数相似；液氮的qc比qr略大，液氮仍然与摩擦表面直接接触，摩擦面温度与介质温度相差很小，因此摩擦系数较低。低滑动速度时，由于三种液体介质中qr均低于或接近液体自身的qc，因此不同液体介质中的摩擦系数接近。

图2 不同速度下气膜形成过程示意图[22]

Liu等[23]研究了UHMWPE在室温和77K时的性能，发现低温下材料的压缩强度和硬度均高于室温；并采用UMT考察了室温和77K时PE的摩擦学性能，发现低温摩擦系数高于室温，低温时发生疲劳磨损和磨粒磨损，而室温下主要是磨粒磨损。

Barry等[24]利用分子动力学模拟研究了温度以及载荷对取向PTFE摩擦系数的影响，发现随着温度的降低，摩擦系数升高，而且沿平行于取向方向的摩擦系数最低，沿正交方向次之，垂直方向最高。

运动部件在太空中除了要承受极低温度外，还要经历高温，这要求所使用的材料必须在宽温域内具有稳定的性能。较高温度时，聚合物材料的机械性能会发生明显变化，其摩擦磨损行为也会与室温明显不同。Li等[25]制备了含氟的共聚聚酰亚胺并研究了其性能，发现含氟聚酰亚胺具有更高的玻璃化转变温度，氟含量越大玻璃化转变温度越高；随着测试温度升高，聚酰亚胺摩擦系数先是变化不大，而后在特定温度下迅速增大，最后再降低；随着氟含量的增加，摩擦系数的最大值出现在更高的温度下；他们还发现热处理有利于提高最小摩擦系数时的PV值。

Zhao等[26]分别制备了碳纤维、玻璃纤维和芳纶纤维增强的聚酰亚胺复合材料，并研究了不同温度下三种复合材料的摩擦学性能；结果表明随着测试温度升高，三种复合材料的磨损率逐渐增大，其中玻璃纤维和碳纤维能有效地增强复合材料的抗磨性。

Wang等[27]发现：随着分子量增加，热固性聚酰亚胺玻璃化转变温度降低；石墨和氮化硼具有协同效应，同时添加有利于提高复合材料在高温下的减摩抗磨性能。此外，他们还研究了不同单体构型对热固性聚酰亚胺力学性能和摩擦学性能的影响，发现4，4＇-ODA含量越高得到热固性聚酰亚胺的玻璃化转变温度越高，同时其硬度和弯曲强度越大；并且由于刚性组分(4，4＇-ODA)分子链比较规整，分子链之间内摩擦力相对较小，因此聚酰亚胺的摩擦系数和磨损率均随4，4＇-ODA含量增多而减小[28]。

Samyn等[9]研究了温度对PI(TP-1)和20wt%PTFE/PI(TP-2)的摩擦学性能的影响，发现TP-1摩擦系数随温度升高先增大后减小，180℃时摩擦表面发生亚胺化反应，分子链取向度增加，摩擦系数达最小值，之后由于过载摩擦系数迅速增大；而TP-2摩擦系数随温度变化与TP-1基本一致，但高于180℃摩擦系数并没有迅速增大，且在60～260℃温度范围内，都保持较低的摩擦系数。

对于结晶性聚合物，除了玻璃化转变温度之外，熔点是影响其使用温度的另一因素。结晶型聚合物与非晶聚合物相比，非晶聚合物在高于其玻璃化转变温度以上力学强度显著降低，而结晶型聚合物在高于其玻璃化转变温度，熔点以下，由于晶体结构没有发生改变，仍然具有一定的承载能力。

一般而言，聚醚醚酮(PEEK)是一种半结晶性热塑性工程塑料，具有优异的耐热性能及机械性能。Hedayati等[29]研究了无定型和半结晶型PEEK的性能，发现与无定型相比，半结晶PEEK具有更高的硬度以及更低的摩擦系数和磨损率。

McCook研究了PTFE及其复合材料摩擦学性能随温度的变化，发现随着表面温度从373K降至173K，摩擦系数呈增加趋势，并认为温度对摩擦系数的影响与聚合物材料的粘弹特性有关[30]。Deng等[31]对比了不同填料对PTFE复合材料，发现由于青铜粉与PTFE相容性不好，青铜粉填充复合材料高温下摩擦系数波动很大，磨损也较大；进一步加入玻璃纤维后，耐磨性明显提高；GF填充的复合材料在高温下表现出与常温相反的摩擦磨损规律；而特种工程塑料(PI，Ekonol)改性的PTFE复合材料高温下具有低而稳定的摩擦系数，但耐磨性较差。

Nemati等[32]利用旋转涂覆的方法制备了GO/PTFE复合涂层，并研究了温度对该复合涂层微观及宏观摩擦学性能的影响，结果表明，当GO含量达15% (v/v)时，载荷为50mN时，GO/PTFE复合涂层摩擦系数和磨损率分别降低至0.1和1.9×10-9mm3N-1m-1；即使在400℃时，GO/PTFE复合涂层仍表现出低的摩擦系数和磨损率。他们认为GO/PTFE复合涂层之所以具有优异的摩擦学性能是因为PTFE和GO的协同作用，高强度GO均匀的分布在低摩擦的PTFE基体中，有利于在磨痕表面形成一层摩擦膜[33-34]，从而改善摩擦学性能。

Kim等[35]发现随着温度升高，PMMA薄膜表面物理状态发生变化，从而引起接触面积和摩擦力的变化。当PMMA处于玻璃态时，摩擦磨损行为基本不受温度影响；当温度高于PMMA玻璃化转变温度时(363～403K)，PMMA处于高弹态，随着温度的升高，摩擦力和接触面积迅速增大，并且薄膜表面会发生严重变形；温度高于423K后，PMMA处于粘流态，摩擦表面呈波纹状，摩擦力随温度升高缓慢增大。热处理条件不同会引起PMMA薄膜中的残余溶剂量不同，从而对摩擦力和接触面积产生影响。当PMMA薄膜内含有溶剂时，随着测试温度升高，薄膜被再次加热，溶剂会扩散到摩擦界面，起到降低摩擦力的作用；当热处理后薄膜内几乎不含有溶剂时，热处理过程则对摩擦力没有影响。

3 结语

航空航天事业的发展对国家具有重要的战略意义，空间机械的摩擦润滑问题已成为空间润滑材料的研究关键。深入研究空间温度环境对空间用聚合物材料性能和结构的影响，对提高空间探测器寿命和可靠性具有重要的现实意义。针对空间温度环境对聚合物材料性能的影响今后应从以下方面开展：

(1) 深入探讨温度对聚合物力学性能的影响，进而通过力学性能的改变揭示摩擦磨损机理；

(2) 研究聚合物材料在不同温度下的松弛行为，从分子角度探讨聚合物材料摩擦学性能的变化机制；

(3) 结合不同温度下聚合物基体和填料间界面结合强度的变化，研究温度和填料对复合材料性能的影响。

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(责任编辑：孙文彬)

State-of-the-art of Tribological Study on Polymer Composites in Space Temperature Environment

ZHENG Fei

(Key Laboratory for Palygorskite Science and Applied Technology of Jiangsu Province, Huaiyin Institute of Technology, Huai'an Jiangsu 223003, China)

With the development of space technology, the demand of space missions on tribology is in sustained growth. Well lubrication of moving parts is a key technology to efficient and reliable operation of spacecrafts. Friction and lubrication in space field concerns special operating conditions such as start and stops, extreme temperature, high vacuum, and so on, which requires high reliability for lubricating materials and technology and ultra-long life in some conditions. Based on the temperature characteristics in space, the research progress on tribological study of polymer composites were reviewed in this paper. Finally, the research direction on friction and wear of polymer composites in extreme temperature was proposed on account of the present studies.

temperature; polymer materials; friction and wear

2017-04-20

郑菲(1988-)，女，山东日照人，讲师，博士，主要从事空间摩擦学研究。

TH

A

1009-7961(2017)03-0022-06