空间摩擦学是研究空间运载和飞行器件相互接触，相对运动表面摩擦、磨损和润滑的科学及相关技术。空间摩擦学问题普遍存在于各类航天器，如冷焊造成伽利略号天线展开故障、微重力碰撞导致哈勃望远镜指向系统颤振、高摩擦造成开普勒望远镜稳定系统失效等(图1)。我国航天技术的飞速发展，对空间摩擦学提出了更高要求，如何在复杂工况下保持航天器的可靠运行是目前空间摩擦学面临的主要问题。
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图1 空间环境造成的摩擦学问题 (a) 伽利略号天线展开故障；(b) 哈勃望远镜指向系统颤振；(c) 开普勒望远镜稳定系统失效
随着微纳技术的发展，微纳机电系统(MEMS/NEMS)广泛应用于微纳卫星、皮卫星以及各种高精密仪器等。相对于传统机械结构，微纳器件结构尺寸的微型化带来了严重的摩擦磨损问题，图2为MEMS轴承孔失效前后对比。此外，空间环境中，微重力环境使摩擦副表面受力情况与地面完全不同，运动部件易受到轻微扰动产生不规则的振动碰撞，从而引起碰撞摩擦，进一步影响机构的摩擦性能。因此，在微纳尺度研究颤振环境下运动界面的碰撞滑动接触摩擦行为，分析运动过程中粘着和磨损机制对推动微纳器件的发展与应用具有重要意义。
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图2 MEMS轴承孔失效前后扫描电镜对比 (a) 失效前；(b) 失效后
考虑微重力环境空间机构的运动特性，必威佟瑞庭团队提出采用微重力环境机构运动行为模拟代替微重力环境模拟，建立了硅基纳米器件碰撞滑动接触分子动力学模型(图3所示)，研究了压头不同振动频率、振幅以及基体纹理表面等对碰撞滑动接触过程中平均摩擦力的影响。研究表明碰撞滑动接触平均摩擦力表现出明显的频率依赖性；在一定工况下，增大压头振幅导致了基体表面温度的升高以及基体晶格结构的破坏，显著降低了平均摩擦力。此外，研究发现碰撞滑动接触工况下纹理表面依然具备较好的减摩效果，纹理表面降低了压头与基体之间的实际接触面积，使得基体表面更容易向着压头滑动的方向变形，减小了压头滑动所受阻力，有效降低了碰撞滑动接触过程中的平均摩擦力。
图3 碰撞滑动接触分子动力学模型
硅基(Si)材料广泛应用于微纳器件制造，但硅的摩擦性能较差。为进一步提高颤振环境下微纳器件的可靠性，该课题组研究了不同润滑工况下硅基纳米器件碰撞滑动接触摩擦性能。空间苛刻的服役环境以及微纳器件的尺寸效应对润滑方式和润滑材料提出了更为严格的要求，软金属和二硫化钼因其优异的空间润滑性能被广泛应用于空间机构。该课题组综合考虑接触体单方向/多方向振动碰撞以及基体单方向/多方向振动等因素，建立了不同润滑工况下碰撞滑动接触分子动力学模型，研究了金膜润滑(图4)、二硫化钼润滑以及软金属与二硫化钼协同润滑的碰撞滑动接触摩擦性能。研究表明，三层金膜稳定性较差，碰撞滑动接触过程中压头前端原子堆积现象显著，增大了压头滑动过程中所受阻力；九层金膜稳定性较好，具备较好的摩擦性能。此外，不同金膜层数润滑工况下平均摩擦力展示出不同的频率依赖性。
图4 金膜润滑工况碰撞滑动接触分子动力学模型
层间较低的范德华力使得二硫化钼层与层之间剪切作用低，从而拥有超低的摩擦系数(0.01-0.05)，图5为双层二硫化钼结构参数图。该课题组在硅基体表面引入双层二硫化钼薄膜，对比研究了有无二硫化钼润滑工况下碰撞滑动接触过程。研究发现二硫化钼的引入有效减小了碰撞滑动过程中的平均摩擦力，且二硫化钼高的面内刚度改善了硅基体的承载能力，避免了碰撞滑动接触过程中因压头振动导致硅基体大量原子失效，起到了很好地保护硅基体的作用。
图5 双层二硫化钼结构参数图
此外，该课题组建立了软金属与二硫化钼润滑组合分子动力学模型(图6)，探究了颤振环境下金和二硫化钼协同润滑工况下的碰撞摩擦性能。结果表明：金膜较好的吸振性和导热性结合二硫化钼高的面内刚度和低的摩擦系数，使得金与二硫化钼协同润滑工况在一定的振动频率范围内表现出更优异的摩擦性能(图7)，平均摩擦力最大可降低97.5%。与此同时，研究发现温度和褶皱现象是影响二硫化钼摩擦性能的重要因素，高温和褶皱现象都将导致二硫化钼摩擦性能急剧下降。
图6 软金属与二硫化钼润滑组合分子动力学模型
图7 软金属与二硫化钼协同润滑的平均摩擦力
上述成果分别以题名“微重力环境下硅基纳米器件碰撞滑动接触问题研究”和“Friction properties of the single-crystal Si in collision sliding contacts under different lubrication conditions”发表在摩擦学领域国内权威期刊《摩擦学学报》“主编特邀专栏”和国际权威期刊《Surface & Coatings Technology》上。论文通讯作者为佟瑞庭副教授，课题组内硕士生王云峰、韩宾、杜晶涛以及航天一院张涛等在论文研究和写作方面做出了贡献。研究得到了国家自然科学基金(52075444，51675429)、国家自然科学基金重点项目(51535009)和中央高校基本科研业务费专项资金(31020190503004)的资助。
文章链接：
https://doi.org/10.16078/j.tribology.2021181
https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2022.129039
文：佟瑞庭
审核：罗明
