王子君，李春偉

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

1 空間潤(rùn)滑中使用的固體潤(rùn)滑膜

空間機(jī)構(gòu)中應(yīng)用著齒輪、軸承等轉(zhuǎn)動(dòng)部件，必須進(jìn)行可靠的潤(rùn)滑，以降低摩擦，提高安全壽命?？臻g潤(rùn)滑是一個(gè)特殊的應(yīng)用領(lǐng)域，工作環(huán)境的真空度高，溫度變化幅度大，部件之間的關(guān)聯(lián)性強(qiáng)，工作可靠性要求高，有些功能運(yùn)動(dòng)部位不能應(yīng)用液體潤(rùn)滑劑，只能采用固體潤(rùn)滑技術(shù)。

固體潤(rùn)滑為采用技術(shù)方法在相對(duì)運(yùn)動(dòng)的表面用固體潤(rùn)滑劑制作膜層以減小摩擦。早期利用擦涂方式將固體潤(rùn)滑劑黏附在工作表面；或者將固體潤(rùn)滑劑與黏結(jié)劑液體混合，通過噴滴跑合的方法在工作面制成涂敷薄膜。我國(guó)于20世紀(jì)80年代開始利用濺射或離子鍍方法在表面形成氣相沉積膜，這樣形成的固體潤(rùn)滑膜的缺點(diǎn)是壽命較短，膜層一旦破損不可自我修復(fù)，會(huì)加速潤(rùn)滑失效。近年發(fā)展的離子注入技術(shù)是在工作表面材料內(nèi)部形成復(fù)合膜，綜合性能有較大改善。這些都屬于預(yù)制型潤(rùn)滑膜，主要性能在使用之前均已確定。

下文所述的聚合物轉(zhuǎn)移膜則是一種運(yùn)動(dòng)生成型固體潤(rùn)滑膜。用聚合物及其復(fù)合材料制成轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)相對(duì)運(yùn)動(dòng)的零件，如齒輪、滑動(dòng)軸承、滾動(dòng)軸承保持架等，通過工作過程中的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，利用摩擦把聚合物向?qū)δッ孓D(zhuǎn)移，在相對(duì)運(yùn)動(dòng)的工作表面形成聚合物轉(zhuǎn)移潤(rùn)滑膜層。其可以在工作過程中逐漸得到補(bǔ)充和更新，因此壽命較長(zhǎng)，性能穩(wěn)定，可靠度較高。通過運(yùn)動(dòng)部件預(yù)跑合形成的初始轉(zhuǎn)移膜可有效避免空間運(yùn)動(dòng)金屬部件表面間的冷焊現(xiàn)象。調(diào)節(jié)聚合物復(fù)合材料成分和比例可以控制磨損率，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)移能力，提高轉(zhuǎn)移膜與基體表面結(jié)合力，工況適應(yīng)性較強(qiáng)。

2 用于空間轉(zhuǎn)移膜的聚合物及其復(fù)合材料

聚合物及其復(fù)合材料應(yīng)用于空間轉(zhuǎn)移潤(rùn)滑膜有許多優(yōu)點(diǎn)，如在真空條件下放氣量低、對(duì)功能部件的污染度低、質(zhì)量輕、摩擦系數(shù)小、加工及制造成本低等；但其同時(shí)也存在熱膨脹系數(shù)大、承載能力低、尺寸穩(wěn)定性差和導(dǎo)熱率低等缺點(diǎn)。這些缺點(diǎn)可通過加入功能改性材料來彌補(bǔ)，因此，在設(shè)計(jì)制造聚合物潤(rùn)滑功能零件時(shí)，必須針對(duì)應(yīng)用部位的功能要求綜合考慮材料性能，選擇適合的材料和工藝。

空間潤(rùn)滑用聚合物材料必須具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度和良好的尺寸穩(wěn)定性，可以滿足并保持加工精度，制成的功能部件能滿足承載使用性能要求，實(shí)現(xiàn)機(jī)械運(yùn)動(dòng)零件的功能；要有適宜的摩擦性能，摩擦系數(shù)低且穩(wěn)定，磨損量適中，可有效潤(rùn)滑工作表面，能轉(zhuǎn)移到工作表面形成牢固轉(zhuǎn)移膜；還要有較好的性能穩(wěn)定性，能承受空間環(huán)境及溫度變化，在使用期內(nèi)保持性能基本不變。目前應(yīng)用于空間轉(zhuǎn)移潤(rùn)滑膜的聚合物主要是工程塑料，如聚四氟乙烯、聚酰亞胺、聚醚醚酮、超高分子量聚乙烯、聚甲醛等材料。由于空間潤(rùn)滑應(yīng)用要求苛刻，且每種工程塑料都有其自身性能的局限性，故通常采用工程塑料復(fù)合材料用于空間轉(zhuǎn)移膜。其工藝技術(shù)路線是利用工程塑料作為基體或黏結(jié)物質(zhì)，共混復(fù)合一種或多種添加劑或填料，制成具有特殊性能的復(fù)合材料，用以制作齒輪、滑動(dòng)軸承、滾動(dòng)軸承保持架等功能部件。添加劑有二硫化鉬、二硫化鎢、碳纖維、玻璃纖維、銅粉、鉛粉以及聚合物基纖維等。

聚合物復(fù)合添加其他功能材料的主要目的是：(1)增加材料的承載能力，通常用纖維及微粒改性塑料以達(dá)到此目的，其中，纖維的改性效果更加明顯；(2)降低材料的摩擦系數(shù)和磨損速率；(3)增加聚合物復(fù)合材料的熱傳導(dǎo)性，聚合物是熱的不良導(dǎo)體，工作表面易于聚集熱量而導(dǎo)致溫度過高，破壞材料分子結(jié)構(gòu)。雖然大多數(shù)塑料都有自潤(rùn)滑性，添加劑材料的品種也較多，但由于空間應(yīng)用環(huán)境的特殊性，目前只有少數(shù)幾種工程塑料復(fù)合材料所形成的轉(zhuǎn)移潤(rùn)滑膜在空間潤(rùn)滑實(shí)踐中得到成功應(yīng)用(表1)。

表1 應(yīng)用于空間轉(zhuǎn)移潤(rùn)滑膜的聚合物復(fù)合材料

3 聚合物轉(zhuǎn)移潤(rùn)滑膜的形成及潤(rùn)滑機(jī)理

聚合物分子鏈的展開結(jié)構(gòu)可降低材料的摩擦和磨損。提高聚合物表面分子展開鏈比例有利于實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)移減摩作用，形成穩(wěn)定可靠的聚合物轉(zhuǎn)移潤(rùn)滑膜。

聚合物是由重復(fù)單元即鏈節(jié)組成的高分子材料，分子量及鏈節(jié)的成分決定了聚合物的特性，分子的聚集狀態(tài)影響聚合物的物理性能。聚合物的分子鏈通常呈折疊鏈狀結(jié)構(gòu)形式，然而在不同的成型和使用條件下聚合物分子的聚集狀態(tài)和程度不同，控制結(jié)晶條件可以使聚合物分子由熔融態(tài)形成延伸鏈晶體結(jié)構(gòu)，也可以在結(jié)晶溫度以上通過退火處理而形成延伸鏈晶體；對(duì)聚合物施加機(jī)械應(yīng)力可促使分子鏈展開。熱塑性聚合物分子鏈之間沒有化學(xué)鍵交聯(lián)耦合，分子間結(jié)合力較小，該類聚合物可以重復(fù)加熱改變形態(tài)，分子鏈在外力作用下易于伸展和滑脫。通過塑性變形，聚合物分子鏈可以沿施力方向展開。通過剪切作用，分子鏈會(huì)因扭曲和滑動(dòng)而層疊，逐步按受力方向取向。這是聚合物具有潤(rùn)滑作用的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。

聚合物材料可以形成某種剪切層以減小分子間黏附，適應(yīng)接觸表面相互移動(dòng)而產(chǎn)生的刮擦作用。剪切層中聚合物分子向?qū)δッ娼佑|轉(zhuǎn)移形成轉(zhuǎn)移膜層，該剪切層和轉(zhuǎn)移膜層越薄越好。在應(yīng)力及溫度共同作用下，聚合物分子可以在表面形成鏈狀排列的有一定取向的膜層，降低表面摩擦力。在受到對(duì)磨面作用時(shí)，剪切層會(huì)有所變形，但其有自恢復(fù)能力，局部膜層的松脫及流出會(huì)導(dǎo)致剪切層流失和轉(zhuǎn)移膜的形成；當(dāng)剪切層厚度增加到一定數(shù)量時(shí)，即產(chǎn)生較大的黏附力和局部應(yīng)力，增加摩擦，使表面產(chǎn)生磨損顆粒。聚合物的力學(xué)性能首先要能承受載荷引起的動(dòng)態(tài)應(yīng)力和切向摩擦應(yīng)力；否則聚合物即會(huì)迅速磨損，發(fā)生塑性變形或脆性破裂。聚合物表面的初期磨損能使接觸面積增加，導(dǎo)致聚合物表面的承載應(yīng)力降低而減小磨損。初期階段的低速跑合有利于形成剪切層和建立轉(zhuǎn)移膜。

不同的聚合物形成的剪切層特性不同，生成的轉(zhuǎn)移潤(rùn)滑膜受聚合物種類、材料配比、工作載荷、溫度、轉(zhuǎn)速等多因素影響，其承載能力亦有差別。不同種類的聚合物形成剪切層的能力和條件各異，聚四氟乙烯和超高分子量聚乙烯在空氣中表面受到剪切力作用時(shí)可以形成伸展鏈形態(tài)的剪切層，但其基體強(qiáng)度較弱，易導(dǎo)致剪切層破壞，應(yīng)采用不同功能的填料進(jìn)行改性，增加基體強(qiáng)度，其受環(huán)境氣氛的影響較小。聚酰亞胺卻只能在真空條件或溫度高于100 ℃的空氣中才能形成剪切層，原因是常溫的大氣環(huán)境中聚酰亞胺分子能與空氣中的水分子形成氫鍵，阻止分子鏈被拖到表面形成延伸分子鏈，不能形成剪切層和轉(zhuǎn)移膜層。在空氣中對(duì)聚酰亞胺材料所作的摩擦試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)其與鋼干摩擦?xí)r，摩擦系數(shù)較大且不穩(wěn)定；在真空環(huán)境下的摩擦試驗(yàn)表明，聚酰亞胺對(duì)鋼的摩擦系數(shù)可穩(wěn)定在0.02的低水平。聚合物形成的轉(zhuǎn)移膜的承載能力各不相同，轉(zhuǎn)移膜能阻止基體材料表面的粗糙化。

4 影響聚合物轉(zhuǎn)移膜的因素

摩擦副材料及結(jié)構(gòu)是決定聚合物轉(zhuǎn)移膜的關(guān)鍵因素，然而在工作面上形成的聚合物轉(zhuǎn)移膜層性能還受其他因素的影響，壽命與可靠性差別較大。通過對(duì)不同試驗(yàn)條件下聚合物材料的摩擦現(xiàn)象進(jìn)行分析，認(rèn)為影響聚合物轉(zhuǎn)移膜層性能的因素主要有以下幾種。

4.1 載荷及應(yīng)力

只有當(dāng)載荷及滑動(dòng)產(chǎn)生的切向應(yīng)力小于臨界值時(shí)， 聚合物才能起潤(rùn)滑作用。根據(jù)載荷及應(yīng)力的不同，出現(xiàn)了兩種截然不同的磨損模式。當(dāng)載荷及應(yīng)力較小時(shí)，聚合物表面形成的剪切層較薄，磨損表面表現(xiàn)為剪切層的逐層剝離，磨損量隨著載荷呈線性增加；當(dāng)載荷及應(yīng)力較大，超過某一臨界值時(shí)，聚合物基體的磨損呈脆性破裂，產(chǎn)生塊狀磨損物，磨損量隨著載荷呈指數(shù)增加。

4.2 接觸面積

在載荷一定的情況下，接觸面積決定接觸應(yīng)力，增加接觸面積可降低接觸應(yīng)力，使磨損量變小，但接觸面積過大則使轉(zhuǎn)移膜材料產(chǎn)生局部堆積，導(dǎo)致高摩擦和磨損。因此，當(dāng)接觸應(yīng)力在材料的許用應(yīng)力值之下時(shí)，應(yīng)盡量減小接觸面積。

4.3 滑動(dòng)速度

其對(duì)聚合物轉(zhuǎn)移膜的影響表現(xiàn)在兩個(gè)方面：過高的滑動(dòng)速度使接觸處由于摩擦產(chǎn)生高溫，使聚合物或添加劑分解；然而適宜的滑動(dòng)速度產(chǎn)生的溫升有利于聚合物分子移動(dòng)形成剪切層。因此，特定的聚合物材料應(yīng)有適宜的滑動(dòng)速度，滑動(dòng)速度過低對(duì)轉(zhuǎn)移膜的形成不利。

4.4 氣氛

固體潤(rùn)滑劑對(duì)氣氛十分敏感，石墨只有在吸收了氣體及蒸汽時(shí)潤(rùn)滑性才好；二硫化鉬在不吸收氣體及蒸汽時(shí)才具有更好的潤(rùn)滑性。聚合物分子鏈中活潑原子能與水分子形成氫鍵，從而限制了分子鏈的表面移動(dòng)，形成延伸鏈結(jié)構(gòu)的能力降低，不會(huì)形成潤(rùn)滑表面層，因此，氣氛有可能影響聚合物及內(nèi)部固體潤(rùn)滑劑的潤(rùn)滑性能，必須針對(duì)空間應(yīng)用的具體特點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)選擇，大氣環(huán)境中的試驗(yàn)不能完全反映空間應(yīng)用狀況。

4.5 溫度

聚合物分子鏈的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與溫度息息相關(guān)，在塑料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度以上，高分子鏈的運(yùn)動(dòng)加?。欢谠摐囟戎轮荒苡蟹肿觽?cè)鏈或鏈節(jié)的運(yùn)動(dòng)，這種運(yùn)動(dòng)方式影響聚合物表面剪切層的形成及作用。溫度也使聚合物復(fù)合材料內(nèi)部的其他成分發(fā)生不同的變化，進(jìn)而影響材料的摩擦和磨損性能。當(dāng)達(dá)到一定溫度以上時(shí)，聚合物材料便失去了力學(xué)性能，聚合物的耐低溫性較佳，然而過低的溫度使材料的脆性增大。

4.6 輻射

應(yīng)用于空間的聚合物材料不可避免地要遭受太陽光的輻射，對(duì)其分子結(jié)構(gòu)破壞最大的光線是X射線及紫外線，受輻射后分子鏈吸收能量導(dǎo)致交聯(lián)和斷鏈，降低力學(xué)性能。吸收紅外光輻射使聚合物熱分解。分子鏈或其側(cè)鏈上有芳香族官能團(tuán)的能吸收部分光能，因此，耐輻射能力較強(qiáng)；有效的屏蔽能減少輻射對(duì)聚合物性能造成的危害。

4.7 原子氧

低地球軌道中的主要成分是原子氧，其會(huì)與碳和銀等迅速反應(yīng)生成氧化物，使材料的性能發(fā)生變化。采用聚合物材料制作的部件長(zhǎng)期工作在有原子氧的氣氛之中會(huì)加速材料的氧化速度，應(yīng)引起足夠重視。

5 結(jié)論

(1)聚合物轉(zhuǎn)移潤(rùn)滑膜是通過相對(duì)運(yùn)動(dòng)摩擦在對(duì)磨面形成的固體潤(rùn)滑膜。這種固體潤(rùn)滑方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，壽命長(zhǎng)，可靠度高，是一種有效的固體潤(rùn)滑技術(shù)。

(2)聚合物分子在溫度和應(yīng)力作用下能在表面形成剪切層，其中分子呈伸展鏈形態(tài)，易于向?qū)δッ孓D(zhuǎn)移形成轉(zhuǎn)移潤(rùn)滑膜。

(3)聚合物轉(zhuǎn)移潤(rùn)滑膜的潤(rùn)滑性和承載能力主要由材料成分決定，工作壽命和可靠度與工況環(huán)境有關(guān)。為了提高聚合物轉(zhuǎn)移膜的應(yīng)用可靠性，應(yīng)盡量在接近使用條件的試驗(yàn)環(huán)境內(nèi)作充分試驗(yàn)。