石墨烯/碳纳米管增强烷基环戊烷润滑膜多层次界面调控及空间环境行为

Space liquid lubricating films are the key materials for the proper lubrication of space moving mechanical assemblies for high reliability and long lifetime of spacecraft. The future demands for ultrahigh reliability and ultra-long lifetime of space lubricants have far exceed performance limit of general liquid lubricants under coupling environments combining ultrahigh vacuum, high and low temperature alternating, atomic oxygen and ultraviolet irradiation, etc, so we need urgently to design and develop new space lubrication films and establish its damage mechanism. This item will be oriented towards the aim of ultra-long lifetime multialkylated cyclopentanes (MACs) space lubrication films, start with the three aspects: molecular regulation of MACs, synergetic lubrication characteristics of low dimension carbon components and the use of friction interface. Based on advantages of high bearing capacity and antiwear ability of graphene, excellent friction-reducing ability of "micro-bearing" CNT and self-replenishment property of MACs, we will develope controllable preparation of multi-level interface of graphene/CNT strengthening MACs lubrication films, realize ultralow friction of the lubrication films under conditions of wide temperature range and cross-lubrication states (from boundary lubrication to mixed lubrication), reveal the relationships among interface behavior and space tribology performances of the lubrication films, illustrate the nature of science of influence of dynamic contact of lubrication films and behaviors of dispersion system on evolution process of the interfaces by multi-field coupling effect, establish eventually the design model of multi-lever interface and damage mechanism of ultra-long lifetime MACs lubrication films under multiple environments.

空间液体润滑膜是保证航天器空间运动部件可靠运行的关键材料。未来超长寿命和超高可靠服役中的空间超高真空、高低温交变、原子氧、紫外光等苛刻耦合环境已远远超过一般液体润滑膜的性能极限，急需设计制备新一代空间润滑膜并建立其损伤机制和延寿理论。本项目以超长寿命多烷基化环戊烷（MACs）空间润滑膜为导向目标，从MACs的功能分子调控、低维碳组元润滑特性协同和摩擦界面利用3方面入手，基于石墨烯的承载抗磨性，碳纳米管的"微轴承"减摩性以及MACs的润滑自修复优势，开展石墨烯/碳纳米管多元协同增强MACs润滑膜的多层次界面可控制备，实现其在宽温域和跨润滑状态（边界润滑-混合润滑）下的超低摩擦行为，揭示润滑膜的界面行为以及多组分结构与空间摩擦学性能的关系规律，阐明空间多场耦合作用下润滑膜的动态接触和分散体系行为对界面演化过程影响的科学本质，最终建立多环境下超长寿命MACs润滑膜的多层次界面设计模型和损伤理论。

空间液体润滑膜是保证航天器空间运动部件可靠运行的关键材料。未来超长寿命和超高可靠服役中的空间超高真空、高低温交变、原子氧、紫外光等苛刻耦合环境已远远超过一般液体润滑膜的性能极限，急需设计制备新一代空间润滑膜并建立其损伤机制和延寿理论。因此，本项目主要开展了以下三个方面的工作：(1)高性能MACs 润滑膜界面行为和空间摩擦学性能研究；(2)石墨烯（CNT）在液体润滑膜中可控分散及其多级润滑状态研究;(3)石墨烯/CNT 增强MACs 润滑膜的多元协同增强空间摩擦学效应研究。主要得出以下结论：.①离子液体在空间低温下易结晶形成晶体，使两接触的表面发生冷焊，导致空间运动设备无法正常启动，从而可能造成严重的事故，再者离子液体对金属器件的腐蚀性也是比较严重的。综合考虑目前所有的空间用液体润滑剂，多烷基环戊烷具有很广阔和光明的应用前景。.②所制备的离子液体修饰的GO具有优良的热稳定性，作为空间用液体润滑剂的添加剂具有良好的分散性和稳定性，且显著地改善了润滑剂的减摩抗磨性能，这主要取决于GO吸附在摩擦副上形成的物理吸附膜和离子液体修饰剂发生摩擦化学反应生成的摩擦化学反应膜的协同作用。.③利用空间辐照试验装置探索了模拟空间辐照对石墨烯结构和性能的影响，同时考察了石墨烯作为空间液体润滑添加剂的摩擦性能。从石墨烯整体结构观察，辐照的破坏作用是有限的，石墨烯保持了相对较完整的结构，性能也基本没有变化。因此石墨烯具有一定的抗辐照性能和空间环境自适应性。石墨烯作为MACs润滑剂的添加剂，增强了MACs润滑膜空间环境适应性和空间摩擦性能，在摩擦界面形成易剪切富石墨烯的物理吸附膜和在接触区域形成镶嵌Fe纳米晶的石墨烯三明治结构，两者协同作用增强了MACs润滑膜在空间环境下的减摩抗磨行为，使其具有更高的可靠性和更长的使用寿命。