空间润滑脂的研究进展.pdf

航天器环境工程 第3 0 卷第1 期 1 4s P A C E C R A F TE N V I R O N M E N TE N G I N E E R I N G 2 0 1 3 年2 月 空间润滑脂的研究进展 程亚洲1 ，胡献国1 ，徐玉福1 ，孙晓军2 ( 1 合肥工业大学摩擦学研究所，合肥2 3 0 0 0 9 ； 2 中国科学院兰州化学物理研究所固体润滑国家重点实验室，兰州7 3 0 0 0 0 ) 摘要：空间环境中高真空、高低温、强辐射、原子氧和微重力等恶劣因素对空间润滑脂的结构和性能提出 了特殊要求。为了满足空间运动部件高可靠性和长寿命的要求，需要改善空间润滑脂的性能。文章主要从基础 油、稠化剂和添加剂这3 个方面介绍和分析了空间润滑脂的研究进展及发展方向。 关键词：空间润滑；航天器；润滑脂；摩擦学 中图分类号：V 5 1文献标志码：A文章编号：1 6 7 3 1 3 7 9 ( 2 0 1 3 ) 0 1 0 0 1 4 - 0 6 D o I ：1 0 3 9 6 9 巧i s s n 1 6 7 3 - 1 3 7 9 2 0 1 3 0 1 0 0 3 0 引言 美国N A S A 的研究表明，相当比例的空间机械 部件失效同润滑不当有关【1 。因此，各种空间机械 部件的长期有效润滑对提高航天器使用寿命至关重 要。由于空间润滑油容易挥发，不利于长期润滑， 所以在空间润滑剂发展的初期，主要使用的是固体 润滑剂。但是固体润滑剂的油膜被破坏后很难恢复， 而且其摩擦阻力较大，所消耗的能量也大【2 】。 空间润滑脂为半固体状润滑剂，可黏附在倾斜 表面，甚至在垂直表面上不流失，而在外力作用下 会发生形变和流动，因此被广泛应用于空间机械润 滑【3 J 。与在大气环境中使用的润滑脂相比，空间用 润滑脂除了要具备通常的性能之外，还需要具备低 挥发性、优良的高低温性能以及良好的耐空间环境 的能力【4 J 。 空间润滑脂在轨工作环境与地面不同，必须考 虑高真空、高低温、强辐射、原子氧和微重力等因 素对润滑脂结构和性能的影响 5 1 。本文主要从基础 油、稠化剂和添加剂等3 个方面介绍和分析空间润 滑脂的发展现状与发展趋势。 l 基础油 基础油是空间润滑脂不可缺少的液体组分，其 在空间润滑脂中的质量约占7 0 9 0 ，有些高达 9 7 。空问润滑脂产品许多性能取决于基础油的 性质，因此讨论空间润滑脂的发展应首先从基础油 开始。在过去的5 0 年，基础油的发展主要经历了 精致矿物油、硅油、合成脂、全氟聚醚以及合成烃 润滑油等【1J 。近年来，离子液体作为新型空间润滑 材料的基础油受到很多研究者的关注 6 。 1 1 精致矿物油 精致矿物油与添加剂的相容性良好，在人类太 空探索的早期被用作空间润滑脂的基础油。2 0 世 纪6 0 年代，矿物油曾作为主要的空间液体润滑剂 用于航天器的动量轮和反作用飞轮上。但是由于矿 物油在真空中挥发性大、黏温特性较差、凝点高， 所以在空间应用中逐渐被合成油取代。 1 2 硅油 硅油是一种液体聚硅氧烷，具有较低的蒸气压 和凝点，化学稳定性好，同时具有良好的黏温特性 和抗水解性，在太空探索中经常被用作空间润滑基 础油【7J 。但是硅油在接触表面的爬行性和边界润滑 性能较差，明显不如后来研发的全氟聚醚( P F P E ) 和聚。【烯烃( P A O ) 。硅油还容易在摩擦表面形成 聚合物沉积，影响设备使用寿命佟J 。因此，硅油作 为空间设备的润滑剂具有一定的局限性。 1 3 合成脂 合成脂是目前合成润滑脂使用较多的一类基 础油，在空间润滑中有大量应用。在2 0 世纪7 0 年 收稿日期：2 0 1 2 1 1 0 6 ；修回日期：2 0 1 3 0 1 2 1 基金项目：国家自然科学基金( 项目编号：5 0 4 7 5 0 7 1 ) 和固体润滑国家重点实验室基金( 项目编号：0 9 0 7 ) 作者简介：程亚洲( 1 9 8 6 一) ，男，硕士学位，从事空间润滑脂研究；E - m a i l ：2 9 0 2 9 5 6 1 6 3 c , o m 。通信作者：胡献国( 1 9 6 3 一) ， 男，教授，博士生导师，主要研究方向为发动机摩擦学；E - m a i l ：h u x i a n g u o 1 2 6 t o m 。 万方数据 第1 期程亚洲等：空间润滑脂的研究进展 1 5 代，合成脂被应用在航天器的轴承和精密仪器上。 美国N Y E 公司生产的以脂类油为基础油的U C 7 、 U C 9 等产品，符合M I L L 一8 3 1 7 6 规范，在航天器 上得到大量应用。 合成脂具有优良的润滑性能( 含边界润滑性 能) 和高低温性能( 凝点低，黏温性能好) ，而且 与添加剂有良好的相容性。但是其真空挥发性比较 高，而且易吸水，水解稳定性差。因此，在使用中 需考虑它的水解和挥发性问题。 1 4 全氟聚醚( P F P E ) 全氟聚醚( P F P E ) 目前主要有F o m b l i n 、K J v t o x 和D e m n u m 【9 j3 个系列产品。它在空间机械上的润 滑应用已有几十年的历史，特别是在一些精度要求 高的组件的润滑中得到了广泛应用【l0 | 。 P F P E 具有很低的饱和蒸气压、突出的热稳定 性、优良的化学惰性，但是一般的抗磨损、抗氧化 添J J N 齐U 难以溶解于其中；而且在高于2 6 0 时， P F P E 又容易与金属发生反应，尤其是在路易斯酸 和A 1 C 1 3 的催化作用下极易发生分解。 1 5 合成烃 2 0 世纪9 0 年代初，人们开始了第三代液体空 问润滑剂的开发工作【3 ，1 1 l ，近年来，合成烃正在取 代传统的空间液体润滑剂【l2 1 。第三代液体空间润滑 剂主要指低挥发性合成烃油，包括聚1 3 烯烃( P A O ) 和多烷基环戊烷( M A C s ) 等。 P A O 是目前产量居于首位的合成润滑剂，它具 有使用温度范围宽、黏度指数高、蒸发损失小和高 温热氧化稳定性好等优点，在空间机械润滑领域常 被用作空间润滑脂的基础油。美国N Y E 公司已生 产出空间级的P A O 基润滑脂，如R h e o l u b e 7 3 3 和 R h e o l u b e 7 3 3 F ，它们的使用温度范围是一5 4 1 2 5 。 国内也已研制出以P A O 为基础油的空间级润滑脂【4 J 。 M A C s 是一种新型的空间液体润滑剂。目前主 要合成方法是以环戊二烯为起始原料，经过烷基化 和加氢以及提纯等工艺制备而成。M A C s 不仅具有 优异的黏温性能、热稳定性和超低挥发性，而且添 加剂相容性好，这使其在空间机械的润滑上有很广 阔的应用前景【1 3 。5 1 。 1 6 离子液体 刘维民、叶承掣1 6 。1 7 1 首次发现离子液体是一类 性能优异的多用途润滑剂。离子液体外观看起来像 水或甘油，具有以下独特的理化性质1 8 郴】： 1 ) 极低的挥发性。即使在很高的温度下，也 不易挥发，可用于高真空环境。 2 ) 液态温度范围广。离子液体呈液态的温度 区间大都在3 0 0 以上，稳定性高，无臭，不可燃。 3 ) 黏度大。常温下是水黏度的几十倍甚至上 百倍。 4 ) 溶解能力强。通过对阴阳离子的设计可调 节其对无机物、水、有机物及聚合物的溶解性，是 很多化学反应的优良溶剂。 5 ) 熔点低。离子液体的这些特性使其具备性 能优良的空间润滑剂的基本条件，将来有可能成为 一种优异的空间润滑脂基础油。 2 稠化剂 稠化剂是润滑脂的重要组分，其质量占比约为 5 3 0 。稠化剂可以将流动的液体润滑油增稠 成不流动的半固体状的润滑脂，它同基础油一样决 定着润滑脂的一系列性能。从2 0 世纪6 0 年代至今， 由于航空航天技术的发展，在空间润滑脂的研究工 作中发展了许多种稠化剂，主要为复合锂皂基脂、 无机和有机稠化剂阻2 1 1 。 2 1 复合锂皂基稠化剂 复合锂皂基润滑脂于1 9 6 2 年首次问世【2 2 】。从 2 0 世纪7 0 年代初开始，为了满足日益增长的市场 需求，开发了一系列复合锂皂基脂，在冶金工业、 汽车工业、轴承行业和航空航天领域被广泛使用【2 3 1 。 复合锂皂基脂被公认为最有发展前途的润滑脂品 种之一。目前工业上最常用的是以1 2 羟基硬脂酸 和壬二酸为基础的复合锂皂基脂，最早由美孚石油 公司于1 9 7 4 年取得专利【2 4 】。 复合锂皂基脂具有良好的耐高温性能，滴点一 般大于2 6 0 ，更适合在高温下使用。另外，它还 具有良好的抗微动磨损性能，适用于长寿命轴承润 滑，是一种通用、多效、长寿命的润滑脂。复合锂 皂基稠化剂不仅对矿物油具有良好的稠化能力，而 且对硅油、合成脂、全氟聚醚和聚0 【烯烃等空间润 滑基础油均具有良好的稠化能力，并且与添加剂有 万方数据 1 6航天器环境工程 第3 0 卷 很好的相容性，可以制备满足空间机械润滑所需要 的润滑脂。 2 2 无机稠化剂 膨润土属于无机稠化剂，其相变温度大于7 0 0 ， 因此用它稠化合成的润滑脂具有良好的耐高温性 能。膨润土润滑脂没有滴点，在高温下，其稠度比 所有复合皂基脂都高。另外，膨润土润滑脂还具有 较好的胶体稳定性、剪切稳定性和抗水解性。在航 空航天领域，膨润土可以作为飞机轮轴承润滑脂和 密封润滑脂的稠化剂2 5 - 2 7 。 膨润土润滑脂的缺点主要是对添加剂的相容 性较差，特别是对抗磨极压剂，同时其中掺杂有难 以除掉的很细的砂粒，工作时噪声较大，不适用于 低噪声轴承的润滑。 2 3 有机稠化剂 聚四氟乙烯( P T F E ) 是2 0 世纪7 0 年代起发 展而成的一种新型稠化剂。做稠化剂时，一般要求 其相对分子质量为1 0 0 0 5 00 0 0 ，粒度小于1 0 “m 。 用聚四氟乙烯作稠化剂制备的润滑脂具有以下优 占 2 8 _ 3 0 】 J 、 1 ) 优良的耐高低温性能。P T F E 具有良好的热 稳定性，其调聚物在3 0 0 开始分解，而其均聚物 到3 8 0 才开始分解。因此P T F E 稠化的润滑脂在 高温下具有较长的使用寿命，而且其低温启动性和 运转力矩都比复合锂皂基脂和聚脲基润滑脂低。用 P T F E 稠化低苯基含量的甲苯基硅油可用于一8 0 超低温环境。 2 ) 良好的润滑性能。P T F E 本身就是固体润滑 剂，低速下的摩擦系数为0 0 4 0 0 6 ，比石墨和二 硫化钼的摩擦系数还小。 3 ) 良好的化学惰性。P T F E 与火箭燃料和酸碱 等都不反应，几乎与所有的溶剂和油品不起作用。 因此，用P T F E 作稠化剂的润滑脂是航空、航天工 业必不可少的一类润滑脂。 4 ) 运动寿命长。在高温条件下，P T F E 作稠化 剂的润滑脂在轴承上结焦很少。用P T F E 作稠化剂 的全氟聚醚润滑脂润滑2 0 4 轴承，在轴承外环温度 达2 5 0 ，转速为6 0 0r m i n 的条件下，运转寿命 达1 0 0 0h 以上；而用脲基润滑脂的话，同样条件 下，轴承的运动寿命仅为5 0 0h 。 因此，聚四氟乙烯作稠化剂的润滑脂可适用在 特别苛刻的环境下工作设备的润滑，已经成为航 空、航天和原子能工业的主要润滑脂【3 1 | 。 3 添加剂 在低地球轨道空间环境中，原子氧的氧化性非 常强1 32 1 。为了提高空间润滑脂抗氧化性，除了使用 抗氧化性能好的基础油和稠化剂外，还需向润滑脂 中加入抗氧化添加剂。此外，空间润滑脂抗氧剂还 需要具有较低的真空挥发性和抗紫外辐照等性能。 在润滑脂中添加极压抗磨剂( 即在空间润滑脂 中加入一些固体润滑小颗粒) 是提高其润滑寿命的 重要手段【3 3 J 。石墨、二硫化钼( M o S 2 ) 、二硫化钨 ( W S 2 ) 都曾作为空间固体润滑材料在航天器上得 到大量应用，但近年来，人们开始研究将这些润滑 材料的小颗粒添加到润滑油脂中，以提高