摘要

固體鍍膜潤滑憑借無揮發(fā)損失、極端環(huán)境適應性強的優(yōu)勢，成為在軌空間機構產品的關鍵潤滑方式。本文針對空間真空、極端溫差、高能輻射等特殊環(huán)境，分析固體鍍膜潤滑的技術適配性，闡述二硫化鉬（MoS?）、類金剛石碳（DLC）、軟金屬等典型固體鍍膜的制備工藝、潤滑機理與性能特性，結合國內外航天產品的實例驗證應用效果，對比不同固體鍍膜的適用場景與優(yōu)劣，最后展望自修復鍍膜、納米復合鍍膜等前沿技術發(fā)展趨勢，為空間機構產品潤滑系統(tǒng)設計提供參考。

關鍵詞：固體鍍膜潤滑；空間機構；

一、引言

隨著深空探測與長期在軌任務的推進，空間機構的可靠性要求持續(xù)提升。相關數據顯示，超過40%的在軌機構故障源于潤滑失效，傳統(tǒng)液體潤滑在真空環(huán)境下易蒸發(fā)流失，難以滿足長壽命任務需求。固體鍍膜潤滑通過在摩擦部件表面制備致密潤滑膜，規(guī)避液體潤滑劑的遷移與揮發(fā)問題，可在-180℃~350℃極端溫差、10?1?Pa高真空及強輻射環(huán)境下穩(wěn)定工作，成為空間機構潤滑的核心技術方案。因此，系統(tǒng)研究固體鍍膜潤滑的技術特性與工程應用，對提升空間機構在軌壽命具有重要意義。

國際航天領域已形成成熟的固體鍍膜潤滑技術體系：NASA重點研發(fā)MoS?濺射鍍膜與DLC復合鍍膜，應用于火星探測器關節(jié)、深空衛(wèi)星軸承等部件[1]；歐洲空間局（ESA）聚焦軟金屬鍍膜的制備工藝優(yōu)化，提升其高溫耐磨性；中國在載人航天工程中突破國產化固體鍍膜技術，實現(xiàn)MoS?、DLC鍍膜在天宮空間站等核心部件的規(guī)模化應用。現(xiàn)有研究集中于鍍膜材料改性、制備工藝優(yōu)化等方向，雖取得顯著進展，但在強原子氧侵蝕、超長期在軌（15年以上）等場景下的性能仍有待突破。

本文首先分析空間機構工作環(huán)境對固體鍍膜潤滑的技術要求，闡述各類典型固體鍍膜的制備工藝、潤滑機理與性能參數，結合國內外工程實例驗證技術應用效果，最后對比不同鍍膜方案的優(yōu)劣并展望發(fā)展趨勢。

二、工作環(huán)境與潤滑技術要求

（一） 典型工作環(huán)境

在軌空間機構的工作環(huán)境惡劣，主要包括高真空環(huán)境、極端溫差環(huán)境、高能輻射與原子氧環(huán)境。低地球軌道真空度可達10??Pa，深空探測任務中真空度低于10?1?Pa；航天器向陽面與背陽面溫差可達300℃以上，例如月球探測器需承受-190℃~120℃的溫度波動；太陽質子和伽馬射線等高能輻射會破壞分子物理結構，低地球軌道的原子氧具有強氧化性、易侵蝕表面。

（二） 核心技術要求

根據空間環(huán)境及在軌使用的特點，需要固體鍍膜潤滑產品具備極端環(huán)境穩(wěn)定性、高附著力與耐磨性等要求。

鍍膜需在-180℃~350℃溫度范圍內，保持摩擦系數穩(wěn)定（0.1~0.3），抗輻射劑量不低于100krad，能抵御原子氧侵；鍍膜與基體材料（軸承鋼、鈦合金等）的附著力需達到50N以上，在軌運行期間磨損率低于1×10??mm3/mm，滿足8~15年的壽命需求；鍍膜材料不得與鍍膜基體材料或其他機構部件發(fā)生化學反應，無有毒物質析出，避免污染航天器光學傳感器與精密電子設備[2]；鍍膜制備工藝需滿足空間機構部件的微型化、復雜化要求，鍍膜厚度均勻可控（通常2~5μm），不影響部件的裝配精度與運動靈活性[3]。

三、典型產品的制備工藝與性能

（一）二硫化鉬（MoS?）鍍膜

MoS?是應用最廣泛的空間固體鍍膜材料，具有層狀晶體結構，層間結合力弱，摩擦過程中易發(fā)生剪切滑移，從而實現(xiàn)低摩擦潤滑[4]。MoS?鍍膜制備的主流工藝為物理氣相沉積（PVD）中的濺射法，將MoS?靶材置于真空腔體內，通過高能粒子轟擊靶材，使MoS?原子沉積在部件表面形成致密鍍膜。該工藝可精準控制鍍膜厚度（2~5μm），膜層均勻性好，與基體附著力強。此外，還可采用噴涂法制備MoS?鍍膜，工藝成本較低，但膜層致密度與附著力略遜于濺射法[5]。

MoS?鍍膜在真空下摩擦系數低至0.05~0.1，使用溫度為-180℃~350℃，但在有氧環(huán)境下易氧化生成MoO?，導致摩擦系數急劇升高。MoS?鍍膜適用于高真空、低氧的深空探測場景。

（二）類金剛石碳（DLC）鍍膜

DLC鍍膜是由sp2雜化石墨碳與sp3雜化金剛石碳組成的非晶態(tài)薄膜，兼具金剛石的高硬度與石墨的低摩擦特性。DLC鍍膜主要采用化學氣相沉積（CVD）與物理氣相沉積（PVD）工藝。CVD工藝通過碳氫化合物氣體的分解與沉積制備DLC鍍膜，膜層致密度高，PVD工藝中的離子束沉積法則可制備摻雜金屬元素（如鎢、鈦）的DLC復合鍍膜，提升膜層韌性。空間機構產品常采用等離子體增強化學氣相沉積（PECVD）工藝，可在低溫下制備鍍膜，避免熱變形。

DLC鍍膜硬度可達15~25GPa，摩擦系數為0.1~0.2，具有優(yōu)異的抗原子氧侵蝕、抗輻射性能，使用溫度范圍為-200℃~400℃。DLC鍍膜在低地球軌道的空間機構產品中應用廣泛。

（三）軟金屬鍍膜

軟金屬鍍膜以鉛、銀、錫等低熔點金屬為原料，通過摩擦熱誘導金屬原子遷移形成潤滑膜。軟金屬鍍膜一般采用真空蒸鍍或離子鍍工藝，將軟金屬加熱至熔融狀態(tài)，使其原子在真空環(huán)境中沉積到部件表面，形成厚度為1~3μm的薄膜。部分場景下可采用電鍍工藝，成本較低，但膜層純度與均勻性較差。

軟金屬鍍膜摩擦系數為0.2~0.3，高于MoS?與DLC鍍膜，但承載能力強，可承受1000N以上的載荷，使用壽命顯著長于傳統(tǒng)層狀固體潤滑劑。適用于高載荷、低轉速的空間機構產品。

（四）復合固體鍍膜

復合固體鍍膜通過多層結構設計或材料摻入，結合不同鍍膜的優(yōu)勢，可有效提升綜合潤滑性能。典型的復合固體鍍膜有以下兩種：一是MoS?/DLC雙層鍍膜，底層DLC鍍膜提供高附著力與抗氧化性，頂層MoS?鍍膜實現(xiàn)低摩擦；二是軟金屬摻雜DLC鍍膜，在DLC膜層中摻入銀原子，利用銀的潤滑作用降低摩擦系數，同時保持DLC鍍膜的耐磨性。

復合固體鍍膜的摩擦系數可低至0.08~0.15，兼具低摩擦、高耐磨、抗氧化的優(yōu)勢，使用溫度范圍拓寬至-200℃~450℃。復合固體鍍膜綜合性能優(yōu)異、空間環(huán)境適應性強，但制備工藝復雜、成本高，膜層結構的設計需精準匹配需求。

四、應用實例

國內外航天產品廣泛采用固體鍍膜潤滑方案，根據不同使用工況分別選用了MoS?鍍膜、DLC復合鍍膜等方式。

火星漫游者號探測器的關節(jié)軸承采用了濺射法制備的MoS?鍍膜，其厚度為3μm，配合全氟聚醚（PFPE）潤滑脂形成復合潤滑體系。在火星表面-150℃~20℃的極端溫差與高真空環(huán)境下，該鍍膜確保關節(jié)連續(xù)工作8年以上，累計運動時間超1000小時，磨損率低于5×10?1?mm3/mm。

深空一號探測器離子推進器軸承采用銀軟金屬鍍膜，通過真空蒸鍍工藝制備，膜層厚度2μm。該鍍膜在高載荷（500N）、低轉速（50rpm）工況下穩(wěn)定運行，使軸承壽命延長至原定設計的3倍，圓滿完成深空探測任務。

我國的天宮空間站機械臂關節(jié)軸承采用國產化DLC復合鍍膜，通過PECVD工藝制備，膜層厚度4μm，摻雜微量鈦元素提升附著力。該鍍膜可在-120℃~100℃溫度范圍內，摩擦系數穩(wěn)定在0.1~0.12，可抵御低地球軌道原子氧侵蝕，累計轉動次數超10萬次無明顯磨損，滿足空間站15年以上的在軌壽命要求。此外，空間站太陽能帆板展開機構鉸鏈采用MoS?/DLC雙層鍍膜，底層DLC鍍膜抗氧化，頂層MoS?鍍膜降摩擦，可實現(xiàn)無維護運行，展開次數超100次無故障[6]。

五、對比與選用原則

通過上述分析，總結各類固體鍍膜潤滑的特點及適用場景，如下表所示：

表1 各類固體鍍膜潤滑對比分析

實際使用時，可以通過以下原則選擇不同的鍍膜方式：（1）環(huán)境適配原則：深空高真空、低氧環(huán)境優(yōu)先選擇MoS?鍍膜；低地球軌道等原子氧濃度高的環(huán)境優(yōu)先選擇DLC鍍膜或復合鍍膜；強輻射環(huán)境推薦摻雜金屬的DLC復合鍍膜。（2）工況匹配原則：高轉速（>1000rpm）、中低載荷機構優(yōu)先選擇MoS?鍍膜或復合鍍膜；高載荷（>500N）、低轉速（<500rpm）機構優(yōu)先選擇軟金屬鍍膜；復雜工況核心部件優(yōu)先選擇復合鍍膜。（3）壽命與成本平衡原則：短期任務（<5年）可采用MoS?或軟金屬鍍膜；長期任務（>10年）或核心機構優(yōu)先采用DLC鍍膜或復合鍍膜。

六、發(fā)展趨勢與展望

固體鍍膜潤滑后續(xù)技術改進主要體現(xiàn)在新型鍍膜材料的研發(fā)、制備工藝的優(yōu)化等方面。

（一） 新型鍍膜材料研發(fā)

新型材料包括自修復固體鍍膜、納米復合鍍膜等。研發(fā)微膠囊型自修復鍍膜，在膜層中嵌入含潤滑劑的微膠囊，當鍍膜受損時微膠囊破裂釋放潤滑劑，實現(xiàn)自主修復。實驗室研究表明，該鍍膜可使?jié)櫥瑝勖娱L2倍以上；納米復合鍍膜是將石墨烯、碳納米管等納米材料摻入MoS?或DLC鍍膜中，提升膜層硬度與耐磨性。

（二） 制備工藝優(yōu)化

制備工藝優(yōu)化包括低溫制備工藝、綠色制備技術、規(guī)模化制備技術等方面。低溫制備工藝是指通過優(yōu)化PECVD、離子束沉積等工藝參數，實現(xiàn)低溫（<100℃）鍍膜制備，避免熱變形；綠色制備技術是通過采用無溶劑、低能耗的鍍膜工藝，減少生產過程中的環(huán)境污染，降低航天潤滑技術的全生命周期成本；規(guī)模化制備技術主要是突破大尺寸、復雜形狀部件的鍍膜均勻性控制技術，提高生產效率，滿足日益增長的鍍膜產品批量配套需求。

七、結論

固體鍍膜潤滑憑借其獨特的環(huán)境適應性，成為空間機構核心潤滑技術。國內外應用實例表明，合理選擇固體鍍膜類型與制備工藝，可顯著提升空間機構的在軌可靠性與壽命。未來，固體鍍膜潤滑技術將向自修復、納米復合等方向推進，為新一代深空探測與長期在軌任務提供可靠支撐。

參考文獻

[1] Marchetti M, Jones W R, Pepper S V, et al. In-Situ, On-demand Lubrication System for Space Mechanisms[R]. NASA Technical Memorandum, 2002.

[2] 卿濤, 周寧寧, 周剛, 等. 空間摩擦學在衛(wèi)星活動部件軸系的應用研究現(xiàn)狀及發(fā)展[J]. 潤滑與密封, 2015, 40(02): 145-150.

[3] 豆照良, 宋安佳, 周剛, 等. 微量供油條件下潤滑油液滴的生長與脫附[J]. 潤滑與密封, 2023, 48(02): 89-94.

[4] Roberts E W. Space tribology: its role in spacecraft mechanisms[J]. Journal of Physics D: Applied Physics, 2012, 45(50): 503001.

[5] European Space Tribology Laboratory. An Evaluation of Liquid, Solid, and Grease Lubricants for Space Mechanisms Using a Spiral Orbit Tribometer[R]. ESA Technical Report, 2010.

[6] 洛陽眾悅精密軸承有限公司. 航天軸承:航空航天工業(yè)的關鍵基礎部件[EB/OL]. 2025-12-22. 

徐榮  陳偉堤 

上海宇航系統(tǒng)工程研究所