原子氧/摩擦同步协同作用下固体润滑薄膜失效机理研究

Considering the irradiation erosion effect of solid lubrication films used in the exterior of a spacecraft exposed to the atomic oxygen environment in low earth orbit presents a safety concern on spacecraft operation. MoS2、WS2、Ag、Au and DLC films deposited by physical vapor deposition technique are selected as model systems to study the failure mechanism of these films under the synergy effect of atomic oxygen irradiation and in-situ friction in laboratory conditions. The microstructural and compositional changes due to atomic oxygen exposure and its influence on the tribological properties of films will be investigated to build a laboratory standard related to the research method about the failure mechanism of films under the atomic oxygen irradiation. For a deep understanding of the failure mechanism of the related materials applied in low earth orbit environment and providing scientific prediction for changes of the active service performance of these materials in harsh space environments, the synergy effect of the two factors, such as atomic oxygen irradiation and friction condition, is the research’s focus. The Multilayered and composite microstructure will be introduced into the solid lubrication films preperation, and reasonable experimental parameters will be applied to research the failure mechanism of multilayered and composite solid lubrication films under the synergy effect of atomic oxygen irradiation and in-situ friction and compare with the results obtained from pure solid lubrication systems. Based on these research results we plan to conclude the effective scheme for preparation films which show better anti-erosion behavior under the synergy effect of atomic oxygen irradiation and in-situ friction, and supply the laboratory simulation experimental criterion to develop solid lubrication films with long service lifetime, anti-irradiation and high reliable quality during spacecraft operation in low earth orbit environment.

针对低地球轨道原子氧辐照条件下固体润滑薄膜材料的损伤机制，开展原子氧辐照/摩擦同步协同作用下固体润滑薄膜失效机理研究。主要以MoS2、WS2、Ag、Au以及DLC等典型固体润滑薄膜材料为研究对象，利用地面模拟试验设备系统考察空间原子氧辐照条件与摩擦条件对相关材料的协同作用规律，建立实验室条件下原子氧辐照固体润滑薄膜材料损伤机理研究规范，促进深入理解相关材料在低地球轨道环境中结构的变化规律与性能失效机制，加强科学预测其在特定空间环境中真实服役性能的变化趋势。同时，进一步开展多层化/复合化技术手段改性固体润滑薄膜材料在原子氧辐照条件下的失效机理，并与单一润滑薄膜体系进行比较，探索抑制原子氧辐照/摩擦同步协同作用失效的薄膜改性手段与制备技术。为研制具备长寿命、抗辐照以及能可靠服役于低地球轨道空间飞行器固体润滑薄膜材料提供基础研究储备。

在诸多低地球轨道环境效应中，氧化性较强的原子氧易与暴露在航天器外的固体润滑材料发生化学反应，形成材料氧化与剥蚀，最终导致材料润滑性能下降甚至丧失。空间原子氧是对润滑材料性能影响最大的环境因素。本研究以空间应用最为广泛的MoS2、WS2薄膜为研究对象，通过原子氧辐照下MoS2、WS2薄膜的氧化行为和摩擦学行为的变化规律研究，进一步通过调控二硫属化合物薄膜的组分和结构，开展了复合薄膜以及纳米多层化薄膜的制备及其原子氧辐照条件下材料氧化行为及摩擦磨损机制研究，以提升润滑材料的空间环境适应性。.主要研究结果总结如下：.1. 开展了不同剂量原子氧辐照环境对溅射纯WS2和MoS2薄膜的微观结构以及氧化行为和摩擦学性能的影响规律研究。研究结果表明，在原子氧辐照条件下，WS2薄膜表面迅速形成WO3，形成的致密氧化膜层可以起到阻止原子氧束流扩散的作用。在薄膜浅表层，膜层的氧化程度随着原子氧束流通量的增加而增加。自薄膜表面深度大于7.2纳米的次表层则不受原子氧辐照的影响，未出现氧化现象。在原子氧辐照与真空交替环境条件下，WS2薄膜表现出明显的摩擦响应行为特征。原子氧辐引发WS2薄膜表面氧化生成WO3，WO3在后续摩擦作用下发生快速剥离是WS2薄膜在原子氧/摩擦同步作用下摩擦学响应行为机制的本质。MoS2薄膜与WS2薄膜在原子氧辐照下呈现出相似的氧化行为。.2. 分别通过金属掺杂、化合物复合以及纳米多层化设计，开展不同结构调控下制备的二硫属化合物基润滑薄膜在原子氧辐照/摩擦同步协同作用下润滑薄膜结构与摩擦学性能变化规律研究。研究结果表明，惰性金属元素（如Au）掺杂可以提高复合薄膜的耐原子氧性能，并在一定程度上改善其摩擦学特性。活性金属元素（如Ag、Cu）自身在原子氧环境下易于发生严重氧化，氧化导致的体积膨胀会使膜层形成裂纹并扩展，薄膜最终易从基体材料表面剥离，从而表现出较差的耐原子氧和摩擦学性能。通过掺杂一定比例的陶瓷相（Sb2O3）或构筑纳米多层薄膜（WS2/MoS2），可有效调控二硫属化合物薄膜结构，在原子氧辐照环境的摩擦试验过程中，其致密的微观结构会阻碍裂纹扩展，减少表层柱状晶的断裂，降低磨料氧化物的生成，使得在原子氧环境中具有更加优异的耐磨损性能。