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艾因斯新蟲 (小有名氣)
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[交流]
含鉭二硫化鉬：高性能空間潤滑新突破
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引言 自 20 世紀(jì) 50 年代起，二硫化鉬涂層就作為航天器潤滑劑被廣泛應(yīng)用。然而，它在地球大氣、深空真空環(huán)境下的性能表現(xiàn)，以及長達(dá)數(shù)十年無需維護(hù)的使用壽命等方面，仍面臨重大工程挑戰(zhàn)。盡管二硫化鉬與添加劑化合物的共沉積在一定程度上改善了性能，但能在所有空間環(huán)境中長期穩(wěn)定發(fā)揮作用的潤滑劑，依然是亟待攻克的難題。本文將為大家介紹一種新型二硫化鉬 + 鉭潤滑劑涂層，它在地球和空間環(huán)境中均展現(xiàn)出卓越的潤滑性能，這是現(xiàn)有商用二硫化鉬潤滑劑涂層所無法企及的。 空間潤滑：一項(xiàng)充滿挑戰(zhàn)的工程設(shè)計(jì) 從望遠(yuǎn)鏡到漫游者，各類太空機(jī)器人包含軸承、反作用輪、諧波驅(qū)動(dòng)齒輪等多種機(jī)構(gòu)。這些機(jī)構(gòu)需在離地球數(shù)百到數(shù)百萬公里的地方，在整個(gè)任務(wù)周期內(nèi)保持超高精度運(yùn)行，且無法進(jìn)行維護(hù)。因此，潤滑對于太空機(jī)構(gòu)至關(guān)重要。但太空環(huán)境中的微重力、極端溫度、多種輻射，以及在潮濕地面環(huán)境裝配鑒定、外太空和深空超高真空環(huán)境下執(zhí)行任務(wù)，還有中間發(fā)射過程的嚴(yán)酷條件等，都給潤滑帶來諸多獨(dú)特難題。 歷史上，二硫化鉬憑借對真空的適應(yīng)性，成為空間潤滑劑。但在潮濕空氣中，它會氧化成三氧化鉬，破壞范德瓦爾斯滑動(dòng)，致使性能失效。而且，隨著任務(wù)時(shí)間拉長，對二硫化鉬潤滑油的磨損壽命要求從數(shù)月提升到數(shù)十年。為此，人們將二硫化鉬與多種添加劑共沉積形成 “變色龍” 涂層，可部分添加劑會破壞其自然潤滑性，部分僅在特定環(huán)境有效，一直未找到能在所有航天器工況下實(shí)現(xiàn)可持續(xù)潤滑的產(chǎn)品。 在本研究中，我們對比新型二硫化鉬與鉭共沉積（MoS₂+Ta）涂層和三種空間級二硫化鉬潤滑劑 —— 純二硫化鉬、MoS₂+Ti、MoS₂+WC。選擇鉭共沉積，是因其能優(yōu)先氧化，抑制有害三氧化鉬生成，形成潤滑性的 Ta₂O₅與 TaS₂，后者被 NASA 認(rèn)定在多種環(huán)境均有效。經(jīng)對 MoS₂+Ta 晶格結(jié)構(gòu)、化學(xué)成分和力學(xué)性能表征，以及在超高真空（UHV）、ISO 5 潔凈室和環(huán)境過渡條件下測試，結(jié)果顯示，僅 MoS₂+Ta 涂層能在所有測試條件下實(shí)現(xiàn)持久潤滑，滿足高性能航天器的潤滑需求 。 二硫化鉬與鉭共沉積 新型 MoS₂+Ta 涂層和其他三種基準(zhǔn)涂層均采用氣相沉積法，在空間級鋼基板（AISI 440C，58 HRC，Ra = 0.1µm）上制備，涂層厚度為 0.9 - 1.1µm。二硫化鉬與鋼基板的界面常因材料性能突變導(dǎo)致應(yīng)力集中，成為分層失效點(diǎn)。為此，MoS₂+WC 采用厚 WC 層作為粘附層，MoS₂+Ta 和 MoS₂+Ti 則使用非常薄的粘附層。純二硫化鉬涂層在非晶基體中具有納米晶結(jié)構(gòu)，而加入鉭或鈦后，形成完全無定形的納米結(jié)構(gòu)。MoS₂+WC 涂層主要為納米晶，具有明顯的水平分層納米結(jié)構(gòu)。從遠(yuǎn)程涂層微觀結(jié)構(gòu)來看，二硫化鉬、MoS₂+Ta 和 MoS₂+WC 涂層呈垂直柱狀順序，MoS₂+Ti 涂層截面則較為均勻。濺射沉積參數(shù)會影響涂層微觀結(jié)構(gòu)，長程垂直順序的涂層具有更強(qiáng)的耐磨性、與基底的粘附性，且能快速形成相干摩擦膜。因此，MoS₂+Ta 被設(shè)計(jì)為柱狀微觀結(jié)構(gòu)。 通過對涂層的能量色散 X 射線光譜（EDS）分析可知，四個(gè)樣品均存在 8.04 keV 的信號。三種共沉積涂層的 Mo 和 S 峰與純二硫化鉬涂層相同，其中 MoS₂+Ta 涂層中出現(xiàn) Ta - Lα 和 Ta - M 峰，MoS₂+WC 涂層中出現(xiàn) W - Lα 和 W - M 峰，MoS₂+Ti 涂層中出現(xiàn) Ti - Kα 峰。添加劑元素相對原子比例分別為 8% Ti、7% WC 和 10% Ta，且在整個(gè)厚度中均勻分布。選擇 10% Ta 添加劑濃度，是因?yàn)橄惹把芯勘砻鳎砑觿舛茸罴逊秶?5 - 10% 之間，超過 13.5% 時(shí)會導(dǎo)致潤滑劑失效。 地面至深空條件下的潤滑 使用負(fù)載控制的摩擦計(jì)，在 1 GPa 最大赫茲接觸壓力下進(jìn)行線性往復(fù)運(yùn)動(dòng)，采用 AISI 440C 鋼觸點(diǎn)對四種涂層進(jìn)行評估�；搴蛯Χ嗣婢鶠� AISI 440C 鋼，這是空間系統(tǒng)球軸承、座圈、諧波驅(qū)動(dòng)器的標(biāo)準(zhǔn)材料。測試在超高真空（UHV (2.7 ± 1.2 × 10⁻⁶ Pa)）、潮濕空氣（ISO 5 clean room, RH 43 ± 5%）和環(huán)境轉(zhuǎn)換（150 cycles Air/850 cycles UHV）三種環(huán)境下進(jìn)行，運(yùn)行至 1000 次循環(huán)或涂層失效（摩擦系數(shù) µ>0.5），以模擬空間系統(tǒng)面臨的環(huán)境。 在超高真空環(huán)境下，純 MoS₂展現(xiàn)出出色的潤滑能力，在 1000 次循環(huán)中摩擦系數(shù)最低且最穩(wěn)定，µ = 0.029 ± 0.002。新型 MoS₂+Ta 涂層和空間合格的 WC 共沉積涂層在超高真空下也表現(xiàn)優(yōu)異，摩擦系數(shù)分別為 µ = 0.083 ± 0.08 和 µ = 0.056 ± 0.002。然而，MoS₂+Ti 涂層在超高真空下失效，在失效前，其摩擦系數(shù)最低，µ = 0.023 ± 0.004，表明其潤滑性能強(qiáng)但耐磨性低，適用于一次性機(jī)構(gòu)或短到中等壽命的高精度機(jī)構(gòu)。 在潮濕空氣環(huán)境下，由于高濕度會導(dǎo)致二硫化鉬氧化生成三氧化鉬，損害其潤滑性能，所有四種涂層的摩擦力均有所升高，摩擦系數(shù)在 µ = 0.1 - 0.2 范圍內(nèi)，且二硫化鉬在 320 周期開始迅速失效。然而，共沉積的 MoS₂+Ta 涂層能承受整個(gè) 1000 次循環(huán)，控制摩擦系數(shù) µ≤0.22。MoS₂+Ti 涂層也能在空氣中存活 1000 次循環(huán)，表明添加劑過渡金屬對涂層性能有重要影響。MoS₂+WC 涂層由獨(dú)立的二硫化鉬和 WC 納米晶體組成，無法保護(hù)二硫化鉬免受氧化，在 415 周期失效，這與之前的研究結(jié)果相符。 為模擬全套空間環(huán)境，對 MoS₂+Ta 涂層和兩種商業(yè)共沉積涂層進(jìn)行從空氣 150 循環(huán)到 UHV 850 循環(huán)的環(huán)境過渡測試。只有 MoS₂+Ta 涂層能存活所有 1000 次循環(huán)，且平均摩擦系數(shù)與 UHV 試驗(yàn)相似，表明其能迅速適應(yīng) UHV 潤滑要求。相反，MoS₂+Ti 和 MoS₂+WC 在過渡到 UHV 后均失效，MoS₂+WC 涂層在過渡后立即開始失效，MoS₂+Ti 涂層在 UHV 中經(jīng)過 200 次循環(huán)后開始失效。通過磨損軌跡的原位光學(xué)圖像，可以記錄與這些壽命相匹配的磨損趨勢。MoS₂+Ta 在空氣中有一些磨損顆粒，在 UHV 過渡后的前 40 個(gè)周期（周期 150 - 190）發(fā)生大部分磨損，之后形成穩(wěn)定的潤滑狀態(tài)。MoS₂+Ti 在空氣下前 150 個(gè)循環(huán)噴射磨損顆粒較少，但在 UHV 下磨損迅速。MoS₂+WC 在空氣循環(huán)過程中磨損明顯，導(dǎo)致涂層耗盡和 WC 粘附層可見，過渡后迅速失效。在三種共沉積涂層中，只有 MoS₂+Ta 能在環(huán)境過渡中存活，表明其作為高性能空間潤滑劑的適用性。 潤滑機(jī)理 摩擦膜的流變學(xué)特性與粒度，為接觸點(diǎn)潤滑機(jī)制提供機(jī)械層面的見解。借助二次電子掃描電鏡（SEM）圖像，能看到四種涂層及噴射磨損碎片，在三種環(huán)境下測試后的情況。不同涂層及相同涂層在不同環(huán)境下，磨損瘢痕、摩擦膜和磨損碎片差異顯著。 在 UHV 環(huán)境下，MoS₂ + Ta 和 MoS₂ + WC 成功潤滑，形成連貫光滑的片狀薄膜磨損疤痕，MoS₂ + Ti 則失效，磨損疤痕由小顆粒組成且表面粗糙。結(jié)合原位質(zhì)譜分析，航天器組件操作等過程會解吸多種物質(zhì)，本次實(shí)驗(yàn)中解吸物種均源于涂層操作。三種涂層在 UHV 環(huán)境下主要解吸氧化碳、碳?xì)浠衔锖退锓N，初始階段 CO₂/CₓHᵧ和水解吸速率高，對應(yīng)磨合時(shí)摩擦和磨損增加。之后，MoS₂ + Ta 和 MoS₂ + WC 解吸速率穩(wěn)定，達(dá)到低磨損狀態(tài)；MoS₂ + Ti 水解吸速率始終較高，225 周期后出現(xiàn) Ar 和 H₂解吸，導(dǎo)致涂層失效。 空氣環(huán)境中情況相反，MoS₂ + Ta 和 MoS₂ + Ti 以小顆粒為主并存活 1000 次循環(huán)，MoS₂ + WC 和二硫化鉬因片狀或帶狀摩擦膜失效。依據(jù)速度調(diào)節(jié)理論，片狀摩擦膜表現(xiàn)為剪切模式調(diào)節(jié)，小顆粒對應(yīng)滾動(dòng)和流變調(diào)節(jié)模式。潮濕環(huán)境中斷內(nèi)部剪切模式，致使 MoS₂ + WC 和二硫化鉬片狀摩擦膜失效，而小顆粒摩擦膜可降低接觸面積，減輕二硫化鉬與鋼附著力增加的問題。 三種商業(yè)涂層在 UHV 和空氣環(huán)境下，摩擦膜形貌有一致性。MoS₂ + Ti 以小顆粒碎片為主，能在空氣中運(yùn)行；MoS₂ + WC 和二硫化鉬呈片狀摩擦膜，在 UHV 中表現(xiàn)良好。MoS₂ + Ta 則不同，UHV 中呈片狀，空氣中為小顆粒，在過渡環(huán)境中磨損疤痕內(nèi)既有薄片又有噴射顆粒，展現(xiàn)出對不同環(huán)境的 “適應(yīng)性”，說明高性能潤滑劑需具備多種潤滑機(jī)制。 為探究 MoS₂ + Ta 涂層的高性能潤滑特性，對其力學(xué)性能、微觀結(jié)構(gòu)和組成展開評估。通過伯科維奇金剛石壓痕法測量，純二硫化鉬涂層楊氏模量 62GPa、硬度 3.6GPa，共沉積涂層添加劑含量≤10% 時(shí)，楊氏模量超 95GPa、硬度超 6.5GPa，MoS₂ + Ta 涂層提升最為顯著（E = 114.2±9GPa，H = 6.65±0.4GPa ），這兩種性能與耐磨性相關(guān)，但共沉積涂層力學(xué)性能相似，表明摩擦化學(xué)和結(jié)構(gòu)對涂層性能影響更大。 拉曼光譜分析表明，純二硫化鉬以 A₁g 和 E₁₂g 峰為主，MoS₂ + Ta 和 MoS₂ + Ti 光譜中這兩個(gè)峰消失，出現(xiàn) 2LA (M) 缺陷峰，說明 Ta 和 Ti 原子穿透二硫化鉬晶格，形成修飾結(jié)構(gòu)；MoS₂ + WC 涂層 A₁g 和 E₁₂g 峰明顯，二硫化鉬結(jié)構(gòu)基本未受 WC 影響。這與三種涂層力學(xué)性能相符，MoS₂ + Ta 和 MoS₂ + Ti 楊氏模量相對增加量大于混合規(guī)則預(yù)測值，MoS₂ + WC 模量低于預(yù)測值，表明 WC 與二硫化鉬相互作用小。 為闡明涂層改性結(jié)構(gòu)，計(jì)算 Ta、Ti 和 W 添加劑在二硫化鉬中不同原子位置的能量穩(wěn)定性。每種添加劑首選原子態(tài)不同，W 易取代 WS₂的 Mo 形成相，Ti 易插入二硫化鉬薄片間，Ta 在插層相和取代相能量穩(wěn)定性相似。Bader 電荷分析顯示，插入原子電荷最大，優(yōu)先氧化潛力最大。Ta 和 Ti 形成插入相抑制空氣中三氧化鉬形成，Ta 和 W 在真空中形成硫化物相，這與拉曼光譜結(jié)果一致。 共沉積材料原子鍵態(tài)在 XPS 光譜中得到反映。標(biāo)準(zhǔn)二硫化鉬鍵態(tài)下，TaS₂、WS₂和硫化鈦在 S 2p 譜中有變化，相應(yīng)過渡金屬譜也有對應(yīng)信號，元素結(jié)合能可識別為氧化物、硫化物及鎢的碳化物相。 三氧化鉬對二硫化鉬在空氣中的潤滑性能有害。從 XPS 分析可知，三種共沉積涂層氧化物信號降低，純二硫化鉬峰值顯著。MoS₂ + Ti 中鈦氧化物形成減少了三氧化鉬生成，在空氣中有效潤滑，但在 UHV 條件下會導(dǎo)致潤滑失效。Ta 優(yōu)先氧化生成 Ta₂O₅，是耐磨涂層，且 TaS₂在真空和空氣中均為有效潤滑劑。MoS₂ + WC 中 W 光譜鉬氧化物強(qiáng)度最低，但三氧化鎢的研磨性不利于其在空氣中的潤滑，且 W 更易形成單獨(dú)的 WC 相。 MoS₂ + Ta 涂層憑借摩擦機(jī)械適應(yīng)性，以及硫化物和氧化物狀態(tài)，在陸地潮濕空氣和深空超高真空中均能實(shí)現(xiàn)高性能潤滑，形成的摩擦膜和機(jī)械響應(yīng)可適應(yīng)不同環(huán)境，維持低磨損狀態(tài)。Ta 優(yōu)先氧化降低鉬氧化程度，形成 TaS₂相，提升了涂層潤滑能力。 結(jié)論 自 20 世紀(jì) 50 年代，二硫化鉬潤滑劑涂層應(yīng)用于空間領(lǐng)域，但面臨工程挑戰(zhàn)。本文展示的新型 MoS₂ + Ta 潤滑劑涂層，在陸地和深空環(huán)境中均展現(xiàn)優(yōu)異潤滑性能。二硫化鉬氣相沉積過程中添加 10% Ta，改變了涂層成分、結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能，提升跨環(huán)境潤滑性能。MoS₂ + Ta 在不同環(huán)境下形成不同摩擦膜，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)潤滑。通過形成非研磨性鉭氧化物和 TaS₂相，增強(qiáng)了雙環(huán)境下的性能。本次實(shí)驗(yàn) 1000 個(gè)循環(huán)中，涂層摩擦膜穩(wěn)定，無涂層耗盡跡象，有望擁有更長使用壽命，后續(xù)將進(jìn)一步研究。MoS₂ + Ta 潤滑的成功應(yīng)用，有望提升下一代航天器組件的任務(wù)性能，延長潤滑壽命 。 |
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