高真空尘埃环境下多元碳基固-液跨尺度润滑效应及强耦合损伤

高真空尘埃环境及其多因素强耦合环境是月球探测机构运行的主要特点，也是制约其寿命和可靠性的关键瓶颈之一。本项目拟优化利用"碳基固-液协同润滑效应"和"碳基薄膜多跨尺度固体润滑行为"耦合设计理念，从碳基固体薄膜制备（高硬度/高韧性、低应力/超厚、多尺度织构化等），空间液体润滑油（脂）在固体薄膜表面的多途径复合（涂覆、聚合和组装等）和碳基固-液润滑薄膜体系表/界面优化三方面入手，设计制备出具有自适应、低环境敏感性、自修复等功能的长寿命碳基固-液跨尺度润滑体系；重点突破碳基固-液复合润滑薄膜的多尺度构筑方法和表/界面优化途径；探索固-液界面协同优化对复合润滑体系摩擦学增强行为的影响规律，揭示多场耦合作用下碳基固-液润滑薄膜的动态接触行为对界面演化过程的科学本质，并提出影响该类材料在典型月球环境下的失效机理和延寿模型；为以月球车为代表的深空探测机构高可靠和长寿命固-液跨尺度润滑体系奠定新思路和新途径

高真空尘埃环境及其多因素耦合环境是月球探测机构运行的主要特点，也是制约其寿命和可靠性的关键瓶颈之一。本项目利用“碳基固-液协同润滑效应”和“碳基薄膜跨尺度润滑行为”设计理念，从高性能碳基固体润滑薄膜制备、第三代空间液体润滑油（脂）在固体润滑薄膜表面的多途径复合和碳基固-液复合润滑表/界面优化3方面入手，设计制备出了具有自适应、低环境敏感性、自修复等功能的碳基固-液协同润滑体系，提出影响该类材料在典型月球环境下的失效机理和延寿理论，为以月球车为代表的深空探测机构摩擦副表面固-液跨尺度润滑体系的设计、制备及应用提供新思路和新途径。研究发现：（1）沙尘环境下，固-液复合润滑能够显著提高薄膜的减摩抗磨性能，其磨损率在10E–17 m3/Nm 量级；（2）沙尘环境下，施加载荷对固-液复合润滑体系的摩擦学性能影响不明显，说明固-液复合润滑能够显著提高薄膜的承载性能；（3）固-液复合润滑体系的摩擦学性能与液体润滑剂的粘度，薄膜表面润湿性和粘附功等有着极大联系，关系着固-液复合协同效应的发挥；（4）多层DLC/MoS2薄膜，其硬度在软质MoS2薄膜和硬质DLC薄膜之间，既表现出软质薄膜MoS2的优异的减摩性能，又表现出硬质DLC薄膜的优异的抗磨性能；在高真空环境下，能够出现超润滑性能，摩擦系数低至0.001，在沙尘环境下的摩擦寿命是单一薄膜的5倍之多；（5）在真空模拟月尘环境下，相比于单层MoS2和DLC薄膜，DLC/MoS2多层薄膜展现出优异的摩擦学性能，其摩擦系数低至0.02，磨损较小。由于在摩擦过程中，月尘颗粒的剪切作用使薄膜材料向对偶转移，并在对偶磨斑处形成具有低剪切作用的MoS2，因此可显著降低摩擦；另外，月尘微纳米颗粒在接触界面富集，以及摩擦过程中形成的复合转移层，可有效减缓薄膜的摩擦磨损。本项目研究过程中，发表SCI学术论文37篇，授权中国发明专利2项。