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多环境自适应智能润滑材料涂层

时间:2020-04-17 14:43:24  来源:  作者:

 近年来,空间/临近空间飞行器是国内外研究的热点。这些装备的运动部件,需要在多种极端恶劣环境以及变工况条件下服役。运动部件不仅要经受多种严酷环境和极端变工况(大交变接触应力、瞬时过载等)的考验,而且对精度、寿命、承载等方面的要求非常高。极端变工况和多环境服役条件下的高效、可靠润滑问题已成为空间/临近空间装备关键运动部件面临的共性问题。美国MTI项目对NASA多年空间机械失效的分析指出,发展能够适应多种环境和变工况条件下的新型智能润滑材料,是提高装备系统在变工况下可靠性和攻克其在多环境下长寿命的关键技术之一。固体润滑材料要具备低环境敏感性、自适应、自修复等功能,必须具备两方面条件:①必须包含在多环境和多工况条件下具有最佳润滑功能的各种材料组成,以充分利用各组分的协同效应;②材料的成分、微结构以及表面化学状态能够对服役温度、接触应力、气氛或介质的变化做出响应,并表现出稳定可靠的低摩擦磨损,进而适应环境变化的影响。采用纳米化、多元化、复合化的组分结构设计思路,借助界面结构、表面织构化的主动设计,是研制具有低摩擦、高强韧、长寿命、多环境适应性(智能)等特性于一体的固体润滑材料的基本理念和理想途径。本世纪初,美国空军研究实验室(AFRL)进一步开展了自适应“智能”固体润滑薄膜的研究工作,发展的自适应复合薄膜包括YSZ/Au/DLC/MoS2 WC/DLC/ MoS2YZS/Ag/Mo/ MoS2 等。此后,A.A. Voevodin 进一步发展了自适应固体润滑复合薄膜思想,提出在接触应力、摩擦热、外界高温的作用下,固体润滑复合薄膜的微观结构会发生相应的转变,如碳薄膜材料中sp3-sp2的转变或类金刚石向类石墨碳的转变,MoS2WS2的重结晶和重组装,以及复合薄膜中不同组分之间的相互反应等。国内在此方面的研究虽起步较晚,但也逐渐引起重视并取得了良好进展,中科院兰州化物所、中科院宁波材料所、清华大学等单位,都分别对多环境自适应润滑材料体系的制备物性与应用探索开展了研究。采用强碳(WMoTi等)与弱碳金属(AlCuAg等)多元掺杂复合技术,获得了具有高硬度、高韧性以及一定摩擦自适应特性的碳基固体润滑复合薄膜,并提出了基于非晶/纳米晶多尺度耦合设计的环境自适应固体润滑薄膜构筑理念。设计制备了不同调制周期的MoS2/a-C:H 多层薄膜,结果表明软硬交替多层薄膜不但界面结合良好,而且多界面的设计有效地阻止了裂纹扩展。多层膜兼具了软层低剪切力和硬层高承载力的优异性能,在摩擦诱导双元复合协同润滑作用下,MoS2/a-C:H 纳米多层薄膜在真空、空气、惰性气氛多种环境气氛中都展示了优异的摩擦学性能(GJB3032-97测试条件下摩擦系数均小于0.04,磨损寿命超过3×105 r),实现了多环境润滑适应性。


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