真空环境下二维纳米片在固体润滑膜中的典型应用及摩擦学机理研究

Design and development of new lubricating materials and technologies in spacecraft are driven as the necessity and urgency noted in the latest National Spatial Development Plan. The preliminary studies on lubricating application and computer simulation of two-dimensional (2D) nanosheets (graphene and molybdenum disulfide, MoS2) indicate that these 2D nanomaterials have promising ultra-low friction and anti-wear properties in vacuum. As the 3 main lubrication application forms for space lubrication, the study on 2D nanomaterial-based solid lubrication ultra-thin film, bond coating and polymer composite films’ related properties is imperative to be conducted deeply and systemically. This project will put emphasis on the contents of (1) relation between composition and microstructure design of 2D nanomaterial-based films and their mechanical properties and film-substrate interfacial bonding properties; (2) the tribological properties of 2D nanomaterial-based films in different vacuum environments (various vacuum degree, various H2, O2, N2, Ar partial pressure) and under different operating conditions. The physical and chemical changes in the contact area during the rubbing process will be analyzed to reveal the relationship among film composition, microstructure, mechanical and tribological properties. Based on the concept of nano-multiplex and nano-multilayer, the method to extend lifetime through synergistic effect will be investigated. It is believed that the achievements of this project will provide theories and experiment data for the preparation of new 2D nanomaterial-based space lubricants to support the effective and durable service of future spacecraft.

我国最新的空间发展计划对固体润滑新材料与新技术提出了迫切需求。对二维纳米片（石墨烯和二硫化钼）在摩擦学领域的初步应用和计算模拟结果表明其在空间环境中具有优异的润滑性能，亟需对二维纳米材料在三种常用空间润滑膜（超薄膜、粘结涂层和聚合物复合薄膜）中的应用及其真空摩擦学机理进行深入系统的研究。本项目将重点开展：（1）二维纳米片基固体润滑膜组成和结构设计对其自身力学性能和膜-基界面结合性能的影响研究；（2）在不同真空环境（不同真空度、不同H2、O2、N2、Ar分压）与运转工况条件下，二维纳米片基固体润滑膜的摩擦学行为分析和机理研究。通过考察润滑膜表面在摩擦前后的物理化学变化揭示其组成结构-力学性能-真空摩擦学性能之间的关系规律，并利用纳米复合、纳米多层化理念开发协同作用下的延寿方法，以期为新型二维纳米基空间润滑材料的研制提供理论基础和实验数据，同时为未来航天器的长期在轨服役提供技术支撑。

本项目针对我国目前空间发展计划对固体润滑新材料与新技术的迫切需求和二维纳米材料在空间润滑领域的重大应用前景和目前有限的研究进展，围绕二硫化钼（MoS2）、石墨烯（Gr）、氟化石墨烯（FG）、氧化石墨烯（GO）、α-磷酸锆（α-ZrP）及碳化钛（MXene）等二维纳米片及其复合材料的制备方法进行探索，对组成结构进行表征以及对其摩擦学性能和相关机理进行探索，最终获得了在真空和其他工况环境下摩擦学性能优异的固体润滑剂、润滑油添加剂和二维纳米片/聚合物复合润滑材料，项目主要取得了如下研究成果：. （1）通过对几种摩擦副摩擦学性能的研究，得到了具有超低摩擦行为的Gr/自组装薄膜（OTS-SAMs）和RGO/MoS2异质结摩擦副材料，系统研究了其摩擦学性能和润滑表现，并提出了相应的机理和物理模型； . （2）利用水热法制备了真空摩擦学性能优异的疏松多孔性MoS2涂层，探讨了该涂层的润滑机制；采用层层自组装技术得到了润滑性能较好的金属离子诱导GO厚涂层，考察了金属离子种类、价态以及GO单元与化学组成等因素对涂层力学性能和摩擦学性能的影响，揭示了不同工况环境下的润滑机制；. （3）将二维MoS2和α-ZrP纳米片分别作为增强剂与聚酰亚胺（PI）复合得到了多元复合润滑薄膜；将具有低摩擦系数的二维MXene纳米片和聚四氟乙烯（PTFE）纳米粒子通过静电自组装合成了具有核-壳结构的pMXene@PTFE杂化粒子，并将其引入环氧树脂中得到了复合润滑涂层。通过对以上三种复合材料在不同气氛下的摩擦学性能进行评价，证明了二维纳米片对聚合物具有明显的增强效果；. （4）将二维纳米片（MoS2、FG及α-ZrP）纳米片作为润滑油添加剂考察了各自的摩擦学性能，结果表明以上二维纳米片的添加均可显著提升润滑油的抗磨损性能。. 通过本项目的开展，揭示了不同二维纳米片基材料的组成结构-摩擦学性能之间的关系规律，开发出了协同作用下新型二维纳米基润滑材料的延寿方法，为其在空间润滑材料方面的典型应用及摩擦学机理研究提供了实验依据和技术支撑，同时也拓宽了空间润滑材料的选择范围。本项目所有研究内容的执行和完成，具有十分重要的理论研究价值和广阔的应用前景。