一种长寿命空间润滑防护涂层材料

本发明涉及一种长寿命润滑防护涂层材料，尤其涉及一种用于高真空环境下的长寿命空间润滑防护涂层材料，属于空间润滑防护。

背景技术：

1、空间润滑防护涂层是保障航天器等相关机械运动部件长期在轨安全、稳定运行的最有效手段之一。由于空间环境的特殊性，空间润滑防护涂层不仅要拥有普通润滑防护材料具备的所有物理机械性能，同时还要兼具优异的空间环境适应性，尤其是耐原子氧的强氧化作用。发展和研制高可靠、长寿命空间润滑防护材料是当前空间摩擦学和材料学研究的主要热点和前沿领域，其对推动未来航天事业的发展和空间资源的高效开发利用等具有重大的战略意义和应用价值。

2、目前应用于空间润滑领域的防护涂层主要有物理/化学沉积类和粘结类涂层，而粘结类涂层由于制备工艺简单，施工简便等优势应用更为广泛。根据粘结树脂的类型差别，主要有无机类和有机类粘结固体润滑涂层。无机类涂层虽然耐辐照性能优异，但质脆、不耐磨、整体力学性能较差。而有机类粘结固体润滑涂层柔韧性和结合强度高、耐磨性好，但有机涂层中的有机类基础树脂粘结剂在原子氧辐照下降解严重，服役寿命有限。为了提高有机类涂层的耐空间环境适应性，中国专利(cn202211142358.9)公开了一种空间装备用高强度长寿命润滑涂料及其应用方法，其主要利用聚二甲基硅氧烷改性的聚酰胺酰亚胺树脂粘结剂在原子氧辐照下表面形成氧化态硅钝化层，实现对涂层的保护作用。中国专利（cn202011049955.8）采用环氧基聚硅氧烷作为基础树脂粘结剂，也利用了原子氧辐照后表面形成硅氧化物钝化层原理提高涂层的耐原子辐照性能；中国专利（cn201910305225.0）采用聚四氟乙烯乳液改性无机磷酸盐作为粘结剂制备了空间润滑涂层材料，其主要利用了无机磷酸盐本身良好的耐辐照性能，但是其由于采用了易辐照降解的聚四氟乙烯乳液作为改性剂，辐照后的真空磨损寿命仅仅大于60万转，且该类涂层需要高温加热才能完全固化（310℃）。另外，中国专利（cn201811597478.1）利用poss复合改性聚酰胺-酰亚胺涂层在原子氧辐照后氧化态硅的表面富集作用，有效阻止了原子氧向涂层内部的继续扩散。利用原子辐照诱导表面形成钝化层虽然短期内能够有效改善有机类粘结固体润滑涂层的耐原子辐照性能，但是在长期空间辐照环境中有机涂层的辐照降解和润滑性能衰退现象比较严重，涂层的服役寿命仍非常有限。

技术实现思路

1、本发明公开一种长寿命空间润滑防护涂层材料，不仅具有优异的综合力学性能，同时还兼具良好的耐原子氧辐照和真空摩擦学性能，可用于解决长期空间辐照环境中相关机械运动部件的真空润滑防护和防冷焊处理。

2、一、长寿命空间润滑防护涂层材料的制备

3、一种长寿命空间润滑防护涂层材料是由以下重量百分比的组份组成：硅氧烷改性的钛酸丁酯15~25%，二硫化钼30~40%，三氧化二锑2~5%，稀土氧化物5~10%，混合溶剂30~50%。

4、具体制备方法是：将二硫化钼、稀土氧化物和三氧化二锑混合物分散在混合溶剂中后，在球磨罐中研磨分散72 h后，与硅氧烷改性的钛酸丁酯混合，补加余量混合溶剂，在高速剪切分散机上15000 r/min下剪切分散2 min后，用150目的滤网过滤，获得所需涂料。

5、上述制备方法中，所述硅氧烷改性的钛酸丁酯制备过程如下：将硅氧烷与钛酸丁酯以摩尔比1：（4~8）的量加入三口烧瓶后加热至120~150℃下机械搅拌并回流反应3~6 h后，自然冷却至室温。

6、所述硅氧烷为1,3-双(3-氨基丙基)-1,1,3,3-四甲基二硅氧烷，乙烯基封端的二甲基乙烯基硅氧烷，双(3-氨丙基)封端的二甲基硅氧烷中的任意一种。

7、所述二硫化钼为片状结构，粒径为10~50 µm。

8、所述三氧化二锑纯度大于99.5%，粒径为20~100 nm。

9、所述稀土氧化物为氧化镧、氧化铈、氧化铕、氧化钇中的一种。

10、所述混合溶剂为乙酸乙酯与甲苯按体积比为（1~3）：1混合而成，或乙酸乙酯与n,n-二甲基乙酰胺按体积比为（3~4）:1混合而成，或乙酸乙酯与轻质石脑油按体积比为（2~4）：1混合而成。

11、二、长寿命空间润滑防护涂层的性能评价

12、将本发明所得涂料利用喷枪涂敷于零件表面室温完全固化后进行力学性能、耐原子氧辐照性能和摩擦学性能测试。

13、具体的测试方法如下：

14、大气摩擦磨损性能：采用大气csm摩擦试验机对涂层的摩擦磨损性能进行测试，往复模式，振幅2.5 mm，频率10 hz，载荷5 n，φ6mm的gcr15钢球为对偶。

15、附着力：按照gb/t1720《漆膜附着力测定法》中的方法进行测试。

16、柔韧性：按照gb/t 1731-2020《漆膜、腻子膜柔韧性测定法》进行测试。

17、耐冲击性能：按照gb/t 1732-2020《漆膜耐冲击测定法》进行测试。

18、真空摩擦学性能：采用csm真空球盘式摩擦试验机对原子氧辐照前后涂层的真空摩擦学性能进行测试，旋转模式，真空度<5×10-3pa，摩擦配副为φ 6mm的gcr15钢球，接触压力为5 n，旋转半径为10 mm，转速为1000 r/min，设定总转数为150万转。

19、测试结果表明：本发明制备的空间润滑防护涂层材料在金属基材上的附着力达到0级，柔韧性优于2 mm, 耐冲击性能超过50 cm，涂层在大气中的摩擦系数平均＜0.06，磨损寿命＞180 min，经地面模拟空间环境下原子氧辐照1300 h，积累辐照剂量7.83×1022atom/cm2后，涂层的真空平均摩擦系数＜0.04，磨损寿命＞150万转。

20、综上，本发明中采用的硅氧烷改性钛酸丁酯树脂粘结剂本身具有良好的耐原子氧辐照性能，通过分子水平上硅氧烷改性钛酸丁酯，将交联固化后粘结剂中规整的ti-o-ti对称结构变为ti-o-si非对称结构，不仅解决了复合涂层固化后脆性大、不致密、耐磨性差的缺陷；同时，钛酸丁酯中的氧酯键在活性原子氧辐照下断裂形成无机钛氧化物，与无机硅氧化物一起富集在涂层表面，抑制了活性原子氧在涂层内部的扩散。而有机链段辐照降解后新形成的硅钛双相氧化物更加致密、抗氧化效果更佳，且可有效避免涂层表面龟裂现象的发生。

21、此外，本发明提供的长寿命空间润滑防护涂层以硅氧烷改性钛酸丁酯为基础粘结剂，可以在室温大气环境下实现完全固化，制备工艺简单，施工方便，便于后期工业化生产与实际工程应用。

技术特征：

1.一种长寿命空间润滑防护涂层材料，是以硅氧烷改性的钛酸丁酯作为粘结剂，二硫化钼作为固体润滑剂，三氧化二锑、稀土氧化物作为辅助功能填料，共混于混合溶剂中，经球磨分散均匀而得；其特征在于：所述长寿命空间润滑防护涂层材料由以下重量百分比的组份组成：硅氧烷改性的钛酸丁酯15~25%，二硫化钼30~40%，三氧化二锑2~5%，稀土氧化物5~10%，混合溶剂30~50%。

2.如权利要求1所述一种长寿命空间润滑防护涂层材料，其特征在于，所述硅氧烷改性的钛酸丁酯制备过程如下：将硅氧烷与钛酸丁酯以摩尔比1：（4~8）的量加入三口烧瓶后加热至120~150℃下机械搅拌并回流反应3~6 h后，自然冷却至室温。

3.如权利要求2所述一种长寿命空间润滑防护涂层材料，其特征在于，所述硅氧烷为1,3-双(3-氨基丙基)-1,1,3,3-四甲基二硅氧烷，乙烯基封端的二甲基乙烯基硅氧烷，双(3-氨丙基)封端的二甲基硅氧烷中的任意一种。

4.如权利要求1所述一种长寿命空间润滑防护涂层材料，其特征在于，所述二硫化钼为片状结构，粒径为10~50 µm。

5.如权利要求1所述一种长寿命空间润滑防护涂层材料，其特征在于，所述三氧化二锑纯度大于99.5%，粒径为20~100 nm。

6.如权利要求1所述一种长寿命空间润滑防护涂层材料，其特征在于，所述稀土氧化物为氧化镧、氧化铈、氧化铕、氧化钇中的一种。

7.如权利要求1所述一种长寿命空间润滑防护涂层材料，其特征在于，所述混合溶剂为乙酸乙酯与甲苯按体积比为（1~3）：1混合而成，或乙酸乙酯与n, n-二甲基乙酰胺按体积比为（3~4）:1混合而成，或乙酸乙酯与轻质石脑油按体积比为（2~4）：1混合而成。

技术总结本发明提供了一种长寿命空间润滑防护涂层材料，涉及空间润滑防护涂层领域。该空间润滑防护涂层主要利用涂层中硅氧烷改性钛酸丁酯树脂粘结剂在空间高活性原子氧辐照过程中有机链段降解后涂层表面的含硅和含钛元素活性中间体逐渐形成氧化态硅和氧化态钛，并在涂层表面富集后形成致密的钝化层，阻止活性原子氧向涂层内部的继续扩散及对润滑填料的氧化作用原理实现空间辐照环境下长期的润滑防护。利用该方法制备的复合润滑涂层经过地面模拟空间环境15年的等效原子氧剂量辐照后涂层仍然具有优异的力学性能和真空摩擦学性能，可用于解决空间环境中相关机械运动部件的长期真空润滑防护和防冷焊等技术难题。技术研发人员：吴龑平,陈磊,李红轩,周惠娣,陈建敏受保护的技术使用者：中国科学院兰州化学物理研究所技术研发日：技术公布日：2024/6/5