中国科学院材料磨损与防护重点实验室/先进润滑与防护材料研究发展中心知识库

    针对航空航天等高新技术装备对高温和空间环境润滑材料的需求，本论文基于以磷酸铝铬（ACP）为粘结剂，研究制备了多种具有良好减摩抗磨性能的ACP粘结固体润滑涂层。系统考察了ACP粘结剂的制备条件、润滑剂的选择、ACP粘结剂的改性以及模拟低地球轨道空间环境等对所制备ACP粘结固体润滑涂层摩擦学性能和磨损机理的影响。研究工作取得了一些具有创新性和应用价值的结果，拓展了粘结固体润滑涂层在高温和空间环境润滑材料体系的研究，并为ACP粘结固体润滑涂层的工程化应用提供了技术支撑和理论依据。论文所获得的主要研究结果如下：

    1.以磷酸、Al(OH)₃、CrO₃为原材料合成了ACP粘结剂，对其耐热性能进行了考察。在不同合成条件下制备了ACP粘结剂，包括：金属离子与磷酸的摩尔比M:P值，CrO₃与Al(OH)₃的摩尔比Cr:Al值以及合成温度。以不同条件下制备的ACP为粘结剂、石墨为润滑填料，制备了石墨ACP粘结固体润滑涂层，对所制备的石墨涂层的摩擦学性能进行了研究。结果表明：ACP粘结剂具有优异的耐高温性能，在310 ℃下即可完全固化。当ACP粘结剂中金属离子与磷酸的摩尔比M:P为1:3，铬铝离子摩尔比Cr:Al为1:3，反应温度为100-110 ℃之间时，所制备的石墨涂层的摩擦学性能最佳。此外，涂层中石墨与ACP粘结剂的最佳粘固比为1.5:1。

     2.利用粘结固体润滑涂层技术，以ACP为粘结剂（ACP粘结剂中P:Al:Cr摩尔比为12:3:1，反应温度为110 ℃），石墨为润滑填料，制备了石墨ACP粘结固体润滑涂层，考察了该涂层在室温至700 ℃下的摩擦学性能，并结合ACP粘结剂与石墨的微观组织、物相结构，分析了石墨ACP涂层在不同温度下的润滑机理。另外，为提高ACP粘结固体润滑涂层的高温润滑性，基于润滑填料之间的协同润滑作用，向石墨涂层中复配MoS2、Ag、CeF₃制备了石墨/MoS₂、石墨/MoS₂/Ag、石墨/MoS₂/CeF₃/AgACP复合涂层，对比考察了各复合涂层的高温摩擦学性能。结果表明：ACP粘结剂对石墨起到氧化保护作用，使石墨在700 ℃下不被氧化，从而使石墨ACP涂层具有高温润滑性；石墨ACP涂层的润滑性依赖于吸附水汽和自身的有序晶格结构，200-300 ℃之间由于涂层中吸附水汽的蒸发和石墨晶体中缺陷含量的增大，导致石墨ACP涂层润滑失效；400-700 ℃之间，ACP粘结剂中的P转移到石墨晶体边面的活性悬键位点，与之形成了P-O-C和P-C化学键，既提高了石墨的抗氧化性，又促进了石墨的润滑性。MoS₂的添加可显著改善石墨涂层在200-300 ℃之间的摩擦学性能；Ag的添加使石墨/MoS₂/Ag复合涂层的高温润滑性达到800 ℃，同时也表现出优于石墨/MoS₂复合涂层的减摩耐磨性能；与石墨/MoS₂/Ag复合涂层相比，石墨/MoS₂/CeF₃/Ag复合涂层的摩擦学性能进一步得到提高，由于CeF₃的添加，涂层的耐磨性能得到明显提升。

    3.分别合成了羟基硅氧烷预聚物（HPPS）和环氧磷酸酯（EP），对ACP粘结剂进行了改性，考察了以改性ACP粘结剂制备的润滑涂层的机械性能、耐腐蚀性能和摩擦学性能。结果表明：由于改性物中含有羟基基团，与ACP中的羟基反应，形成了有机-无机杂化ACP粘结剂材料，使改性物中柔性基团连接到ACP分子结构中，从而提高了所制备涂层的韧性、承载能力、耐水性和摩擦学性能。但改性物的耐热性较差，所以改性物添加量过大会造成ACP润滑涂层高温摩擦学性能的恶化。

    4.选择HPPS改性ACP为粘结剂，石墨、MoS₂、Ag、CeF₃为润滑填料，制备了HPPS改性ACP复合涂层，并对此涂层进行了模拟低地球轨道环境中的紫外和高能电子辐照试验，考察了辐照对涂层的化学结构、组成成分和摩擦学性能的影响。结果表明：紫外和高能电子辐照仅使粘结剂中HPPS出现了部分的化学变化和降解，而粘结剂中ACP的结构以及石墨、MoS₂、Ag、CeF₃润滑填料的成分均无变化，因此与原涂层相比，辐照试验后涂层的摩擦学性能变化很小，包括摩擦系数、磨损率、耐磨寿命和磨损机理。ACP粘结剂具有良好的耐紫外和耐高能电子性能，所制备粘结固体润滑涂层在空间环境润滑材料中表现出巨大的应用潜力。