Page 39 - 《摩擦学学报》2021年第5期

628 摩 擦 学 学 报 第 41 卷

鉴于此，空间机构中的活动部件普遍采用了遮挡保护 磁控溅射的MoS -Ti复合薄膜开展了累积通量达到
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措施，以避免润滑材料直接暴露于原子氧环境. 然而， 6.0×10 atoms/cm 的5 eV原子氧辐照试验，研究了原
由于体积、质量和功耗等方面的诸多因素限制，在一 子氧对MoS -Ti薄膜表面形貌、化学组成和真空摩擦
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些机构中无法对润滑材料遮挡保护，这就要求深入研 学性能的作用机制，对提升空间润滑设计的可靠性具
究润滑材料的耐原子氧性能，以提升润滑设计的可靠 有重要意义.

性. 目前，对低轨暴露机构普遍使用固体润滑方式，如
1 试验部分
常用的溅射MoS 基薄膜、软金属膜和无机粘接MoS 2
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膜，其中溅射MoS 基薄膜具有极低的真空摩擦系数、 1.1 材料制备
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良好的耐磨损能力、宽的使用温度范围和极低的质 采用非平衡磁控溅射镀膜机(Flexcoat 750, Hauzer
损和可凝挥发. Gao等 [8-9] 的研究表明累积通量2.0× Corp, Netherlands)在9Cr18基底上(Φ 30 mm×10 mm,
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10 atoms/cm 的原子氧对于MoS -Sb O 和WS /MoS 2 R 为0.2 μm)沉积MoS -Ti薄膜. 沉积室的背底真空抽
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a
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−3
多层膜的氧化作用仅局限在表面几十纳米以内. J Cross [10] 至1.0×10 Pa，先溅射Ti靶，再与两个MoS 靶同时溅
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对MoS 薄膜开展了累积通量达到5×10 atoms/cm 的 射30 min. 沉积的薄膜厚度是1.0±0.1 μm.
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辐照试验，但其原子氧的动能只有1.5 eV. 通过神州七 1.2 辐照试验
号飞船的暴露平台，中科院兰州化物所开展了43.5 h 在自制的微波电子回旋共振原子氧源上开展原
的搭载试验并发现原子氧将MoS 氧化成了MoO 和 子氧辐照试验，工作过程如下：微波源与磁场共振激
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MoS O ，同时造成部分S原子的损失，但原子氧的作 发氧气产生氧等离子体，在加速电压下氧等离子体获
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y
[11]
用深度仅局限在1.2 nm内 . 虽然相关研究机构已经 得5 eV动能，再与中性化钼板发生弹性碰撞，形成通
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开展了大量的研究工作，但是高能原子氧的累积通量 量密度1.0×10 atoms/(cm ·s)的原子氧束流. 样品所接
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低，难以解决长期作用下润滑材料性能变化的问题 受的累积原子氧通量达到6.0×10 atoms/cm .

（如空间站机械臂在轨暴露15年，累积通量达到了 1.3 测试与分析

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6.0×10 atoms/cm ）. 1.3.1 真空摩擦学性能测试
本文作者基于长期暴露活动机构对润滑的迫切 在真空球盘摩擦试验机上开展摩擦学性能研究，
应用需求，通过地面原子氧模拟试验设备，对非平衡 测试信息列于表1中.

表 1 摩擦测试参数
Table 1 Friction testing parameters
Testing machine Friction couples Testing conditions
−3
Ball on disk in Ball: Φ 8 mm stainless steel ball, R a : 0.02. Vacuum: < 5×10 Pa，room temperature; Sliding speed: 0.73 m/s of uni-direction; Normal load
vacuum, made Set1: MoS 2 -Ti film before AO irradiation; and track radius: 5 N and 7 mm; Revolving speed: 1 000 r/min; Stopping criterion: terminated
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by CSM in Swiss Set2: MoS 2 -Ti film after AO irradiation once reaching a total revolutions of 4.5 × 10 r (r represents revolution)

1.3.2 表征方法
使用光学显微镜(PEC3010, CSM)，扫描电子显微
镜(SEM , ZESS, Sigma 500), 激光表面轮廓仪(Taylor
Hobson CCI)观察原子氧辐照前后薄膜的表面形态、
磨痕和磨斑形貌. 使用纳米硬度计(CSM, Nanometer
Hardness Measurer，恒定深度100 nm)测量薄膜的显微
硬度. 使用X射线光电子能谱仪(XPS，PHI 5 000 Vesaprobe
Ⅲ，Japan，单色化Al Kα X射线源，148 6.8 eV, 经Au
4f7/2 84.0 eV校准)分析辐照前后元素化学态的变化.

1 μm
2 结果与讨论

Fig. 1 Cross-section morphology of MoS 2 -Ti film deposited
2.1 薄膜断面结构 on silicon wafer
图1所示为沉积MoS -Ti薄膜的断面微观形貌的 图 1 硅片表面沉积MoS 2 -Ti薄膜的断面显微结构
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