空间润滑脂的研究进展

程亚洲，胡献国，徐玉福，孙晓军

（1．合肥工业大学 摩擦学研究所，合肥 230009；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 730000）

0 引言

美国NASA 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]。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]。

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]。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。

1 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70%～90%，有些高达97%。空间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50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[1]。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。20世纪60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[7]。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（PFPE）和聚α 烯烃（PAO）。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[8]。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20世纪70年代，合成脂被应用在航天器的轴承和精密仪器上。美国NYE 公司生产的以脂类油为基础油的UC7、UC9 等产品，符合MIL-L-83176 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（PFPE）

全氟聚醚（PFPE）目前主要有Fomblin、Krytox和Demnum[9]3 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[10]。

PFPE 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、抗氧化添加剂难以溶解于其中；而且在高于260 ℃时，PFPE 又容易与金属发生反应，尤其是在路易斯酸和AlCl3的催化作用下极易发生分解。

1.5 合成烃

20世纪90年代初，人们开始了第三代液体空间润滑剂的开发工作[3,11]，近年来，合成烃正在取代传统的空间液体润滑剂[12]。第三代液体空间润滑剂主要指低挥发性合成烃油，包括聚α 烯烃（PAO）和多烷基环戊烷（MACs）等。

PAO 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NYE 公司已生产出空间级的PAO 基润滑脂，如Rheolube733 和Rheolube733F，它们的使用温度范围是-54～125 ℃。国内也已研制出以PAO为基础油的空间级润滑脂[4]。

MACs 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。MACs 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[13-15]。

1.6 离子液体

刘维民、叶承峰[16-17]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[18-19]：

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300 ℃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%～30%。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20世纪60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[20-21]。

2.1 复合锂皂基稠化剂

复合锂皂基润滑脂于1962年首次问世[22]。从20世纪70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[23]。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12-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1974年取得专利[24]。

复合锂皂基脂具有良好的耐高温性能，滴点一般大于260 ℃，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α 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700 ℃，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[25-27]。

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（PTFE）是20世纪70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1000～50 000，粒度小于10 μm。用聚四氟乙烯作稠化剂制备的润滑脂具有以下优点[28-30]：

1）优良的耐高低温性能。PTFE 具有良好的热稳定性，其调聚物在300 ℃开始分解，而其均聚物到380 ℃才开始分解。因此PTFE 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PTFE 稠化低苯基含量的甲苯基硅油可用于-80 ℃超低温环境。

2）良好的润滑性能。PTFE 本身就是固体润滑剂，低速下的摩擦系数为0.04～0.06，比石墨和二硫化钼的摩擦系数还小。

3）良好的化学惰性。PTFE 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PTFE 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，PTFE 作稠化剂的润滑脂在轴承上结焦很少。用PTFE 作稠化剂的全氟聚醚润滑脂润滑204 轴承，在轴承外环温度达250 ℃，转速为600 r/min 的条件下，运转寿命达1000 h 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500 h。

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[31]。

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[32]。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[33]。石墨、二硫化钼（MoS2）、二硫化钨（WS2）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，以提高润滑油脂的减摩抗磨性能[34-36]。

3.1 MoS2 添加剂

MoS2是一种非常优秀的固体润滑剂，被誉为“固体润滑之王”，在工业上的应用已有近百年的历史[37]。MoS2在高真空、强辐射及高低温等苛刻环境中仍表现出优良的润滑性能，被广泛地应用于航空航天领域。由于有高承载能力、强吸附性与低摩擦系数，MoS2作为润滑油脂的添加剂可以显著地提高润滑油脂的极压、减摩与抗磨性能。Risdon[38]将MoS2添加到多种润滑脂中，发现当添加量为3%时能显著改善润滑脂的承载能力和抗磨性能，且对润滑脂的氧化性及腐蚀性无影响。Drury[39]的研究报道：在低速振动条件下，加入大粒径MoS2的润滑脂其摩擦性能更好；而在高速滑动下，加入小粒径 MoS2的润滑脂摩擦性能更优。Hafner[40]和Muller[41]的研究报道：MoS2润滑脂在摩擦腐蚀条件下能表现出优异的减摩和抗磨性能，特别适用于多灰尘、强振动的摩擦环境。

近年来，国内外学者对纳米颗粒用作润滑油脂添加剂方面进行了大量的研究，研究涉及纳米颗粒的制备及其摩擦学特性、摩擦学机理。纳米MoS2比表面积极大，在摩擦表面的附着力明显增强，通常具有比微米MoS2更为优异的摩擦学性能[42-44]。Rapoport 等[45]的研究表明，在复合锂皂基润滑脂中添加自制纳米MoS2后，其摩擦性能明显优于微米MoS2的复合锂皂基润滑脂，并且承载能力也增大。桑瑞鹏、周晖等[46]评价了添加纳米MoS2的油脂润滑材料在辐照前后的摩擦学特性和化学特性，结果表明：在PFPE 基润滑脂中添加纳米MoS2颗粒，可以在保证其耐空间辐照性能的同时改善其摩擦性能。胡坤宏等[47]曾将MoS2纳米片、MoS2纳米球和微米MoS2分别添加到液体石蜡中，发现添加纳米MoS2的液体石蜡的润滑性能明显好于添加微米MoS2的，且MoS2纳米片在高速运转下的润滑性能最好。

MoS2还是一种既耐高温（800 ℃）又耐低温 （-253 ℃）的固体润滑材料，在真空中具有很小的挥发速率，对周围环境无污染[48]。因此，开展通过添加MoS2小颗粒对空间润滑脂的改性研究具有重要的意义。

3.2 WS2 添加剂

WS2是一种新型固体润滑剂，最初仅限于航天、航空和其他国防工业领域的应用。1984年，由美国MSC 公司开始将WS2润滑技术引入一般工业领域中。由于WS2层内是金属W 原子与S 原子以强共价键结合，而WS2层间是以较弱的范德华力结合，因此在用作固体润滑剂和液体润滑剂的添加剂时，具有非常小的摩擦系数。此外，WS2在高真空、高低温交变、强辐射、原子氧和微重力等恶劣条件下依然具有优异的润滑性能。近年来，毛大恒等人[36,49-51]尝试着把WS2固体颗粒细化，然后加入到润滑油脂中，发现WS2固体小颗粒在润滑油脂中具有明显的减摩抗磨效果。该作用的发挥机制值得深入研究。

4 结束语

我国在长寿命多效空间润滑脂方面的研究取得了一定的进展，但与国外相比仍有很大差距，特别是在高滴点、长寿命以及低挥发的空间润滑脂方面。相信在新的航天任务需求牵引下，随着我国科研投入力度的加大，会不断涌现出达到世界领先水平的空间用润滑脂产品。

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