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1、精选优质文档-倾情为你奉上滑动体和滚动体在真空中 电接触润滑的总结摘要因为缺少了有效的表面膜，滑动体和滚动体在真空中电接触出现了高噪声，高的摩擦系数和极大的磨损率等问题。石墨由于它的润滑能力取决于表面的杂质而不能有效应用于真空环境。MoS2尽管是很好的真空润滑剂，但由于高的体电阻率和半导体特性，它的使用也存在难题。尽管NbSe2在相同的基体上实验的磨损率比MoS2高些，但它的电阻率比MoS2低，是良好的真空润滑剂。滚动体滑环已经成功地应用于高真空环境。在旋转阳极X射线管中苛刻的条件下，银薄膜作为润滑材料已经达到了长久的有效寿命。MoS2作为轴承罩的一种成分材料，在较温和的条件下也取得了成功应用
2、。然而，介电笼材料由于在轴承件表面会形成绝缘薄膜而难以使用。使用高蒸汽压有机材料作为太空环境的电接触润滑剂存在着一定的困难，因为可能会形成不良的高分子和这类材料抗辐射能力低。金属薄膜被认为是有前途的润滑方式。下面将探讨三种金属薄膜的沉积方法和这些薄膜（摩擦实验中获得的）的使用寿命将。根据之前的实验数据，做出了一些关于不同电接触材料的性能和真空润滑剂的结论。引言暴露在高真空、高辐射和极限温度的太空中，先进的航天机械装备在滑动电接触操作中会遇到摩擦、磨损、电噪音等一系列问题。与航天机械装备有关的滑动电接触在长期的太空环境中需要可靠的操作性、低的接触电阻。这种电接触材料一般根据在大气环境使用良好的材
3、料来选择。在这种条件下，材料的接触表面会覆盖一层吸收或化学吸附的气体、水、硫酸盐、碳酸盐和其他杂质。摩擦磨损领域的实验已经证实这些薄膜在滑动过程材料的行为中起了关键的作用。然而，在太空中使用这些材料，有效的薄膜会因磨损，解析或挥发而消失。在太空中他们不会重新形成，因为缺少形成薄膜的必需物质。失去表面薄膜会显著地改变材料在滑动电接触中的行为（如真空冷焊将出现）。在这些条件下，接触表面迅速恶化。这会导致极大的磨损率，摩擦系数的升高接触电阻大的波动以及无法忍受的电噪音。在极限情况下，恶劣的咬粘将出现致使机械完全失效。对于地球大气外的实验，需要用一些外来的润滑剂把摩擦磨损、电噪音降到合理的范围。所有这
4、些要求在不显著影响滑动电接触基本功能的情况下完成。在实际太空应用中，因为超高真空、辐射和极限温度等环境因素，润滑剂的问题变得更加复杂。每一种因素对不同润滑剂都有独特的影响。在所有条件下实验，电接触润滑剂不能阻碍传导电子穿过接触界面。这就需要是个完全稳定的电导体，不管它遭遇任何类型，大小，长久的环境因素的影响。如今航空领域匹配的部件一般是能在真空中使用的滑动电接触材料。他们普遍用贵金属及合金制备，用有机绝缘体隔绝导电。当在高真空条件下作业，这些部件由于缺少表面薄膜只有短暂的寿命。由于贵金属表面的催化行为下可能产生摩擦高分子和介质除气，还会出现其他问题。这些高分子作为润滑剂将有好处，除了他们是电绝
5、缘体因此在滑动接触电气作业上会有不利的影响这一事实。真空滑动电接触润滑剂遵循和接触材料相同的选择模式，也就是说，选择在大气中作业良好的或者少数为人熟知的在真空环境作业良好的润滑剂。这种方法重要的例子是石墨、MoS2、高级电刷材料和某些有机润滑剂的使用。所有这些材料，除了MoS2，在滑动电接触中不能提供有效的润滑，除非采取周全的措施来维持人工气氛。MoS2尽管在真空中是极好的润滑材料，但是存在相当高的体电阻率而导致其在滑动接触中大量的电子损失。最近重金属衍生物这一类材料可能用作真空滑动电接触的润滑剂引起了人们的关注，因为其具有以下令人满意的性质：层状晶体结构和低的体电阻率。这类材料的某些成分，尤
6、其是NbSe2，已经证实是真空滑动电接触中良好的润滑剂。别的材料，像聚四氟乙烯和聚酰亚胺也是真空中良好的润滑剂。这些材料是电绝缘体，但可以通过添加金属组分来实现导电。然而，在滑动电接触系统中使用这些材料会导致接触表面形成绝缘薄膜。如果工作电压不足以击穿薄膜实现金属接触，滑动接触由于极大的接触电阻将会失效，尽管只有较低的摩擦磨损。真空滑动电接触作业中遇到的摩擦磨损问题不像别的滑动系统在相同条件下作业遇到的问题。材料概念通过摩擦磨损实验的发展同样适用于滑动电接触领域。然而，这些概念用来解释电性能时需要一定的修正。在电滑动系统由于电能穿越界面的流动性产生其他一些问题。在理想情况下，滑动电接触应该表现
7、得犹如不在电路中。实际情况下，滑动电接触影响电路到某种程度取决于诸多因素。这种影响产生了另一准则，电噪音，它在滑动电接触中必须和摩擦磨损性能一起进行评估。电噪音可定义为穿越接触界面的信号电流的任何自然调整或失真。在接触系统中电噪音的大小很重要，因为它干涉了一个有用的信号的理解。在滑动电接触系统中遇到的大部分电噪音是由实际接触面积的变化引起的，它反过来又引起接触电阻的变化。其它导致滑动电接触噪音程度的因素可能是热电效应的产生和绝缘薄膜的电击穿。摩擦、磨损和电噪音这三个因素决定着一个接触系统的有效寿命。具体到每个接触系统的特定应用，任何一个因素可能优先于其他因素取得主导权。滚动体轴承也被用作电滑环
8、，尤其是在旋转阳极X射线管中。这些设备在真空中作业遇到的问题和滑动体滑环的十分相似。然而，因为轴承通常需要承受一个负载，因此润滑要求显得更为苛刻。不过，滚动体滑环具有以下优点：1滚球和滚道间大量接触面积是平行的电接触，这个特征具有可能减少电噪音的优势，因为其增加了维持连续电流在轴承上传导的可能性。2不再需要单独配置滑环。最终的结果是减少了成型设备的质量。使用滚动体滑环不利的一面是轴承体因为电流流经轴承引起的额外磨损。如今，滚动体滑环只存在有限的应用。目的此报告的目的是回顾在真空中滑动体和滚动体电接触领域已完成的研究工作，进而说明各种作为润滑剂材料的润滑能力和优劣势。滑动电接触的固体、薄膜润滑剂
9、将会和最佳沉积薄膜润滑剂的方法一起讨论。同时也将会探讨高级电刷的问题，也包括关于石墨作为润滑剂在大气以及真空中的表现和与其匹配的材料的表面氧化物间的关系。实验结果该领域的调查一些实验研究已经完成了关于真空中滑动电接触润滑领域探究。要比较不同实验结果是困难的，因为实验参数和测量设备有很大的不同。很多情况下，实验结果可能被下列因素影响：1使用抽气系统的类型，2在同时进行的不同实验间的污染物交叉传递，3绝缘材料的脱气。以上每一个因素都将对实验结果产生不利的影响。不同类型的污染物一般能改良材料的摩擦磨损性能（包括真空中滑动），使它们在实际太空应用中表现得比原先更好。偶然的污染物也可能会降低材料的电性能
10、。然而，这些实验是十分有意义的，因为不管使用的实验方案，一些事实是明显的。大部分真空实验只关注石墨和二硫化钼在一些基体接触材料上的滑动。现在实验也开始关注NbSe2。其他实验研究对太空中贵金属合金的滑动电接触使用低蒸汽压的有机液体进行蒸汽润滑。滑动体滑环石墨高级电刷。第二次世界大战时首次发现了减压的环境中滑动电接触的作业问题。航天器在海拔六千米以上飞行时，其电子设备中石墨电刷产生了异常的磨损。那时电子设备中服役的标准组合材料是石墨电刷和铜制换向器或滑环。这特定的组合经表征有相对低的，稳定的接触电压降和低的摩擦磨损率。石墨晶体的六边层状晶格结构导致了极好的摩擦磨损特征。六角位面的碳原子通过相对弱
11、的范德华力牢固在每一层中，从而允许平行于位面的弱剪切力。因此，石墨润滑能力被认为是其晶体结构导致的固有属性，所以没有理由认为它在减压的环境中表现的有所不同。但是，压力的降低本身不是导致电刷高的磨损率的主要原因，因为在正常大气压下磨损率也会增加。在相对湿度很低时石墨电刷产生极大的磨损。这个问题通过人工增加相对湿度很容易解决。此后很快发现在周围环境必须存在一定少量的水蒸汽和氧气来提高石墨的润滑能力。通过用金属卤化物浸渍电刷材料首次很成功地解决高级电刷磨损问题。这些浸渍物和助剂，即卤化物因为摩擦热而分解进而促进铜滑环的氧化，产生表面膜。然而，易分解的助剂（低的生成热）没有广泛使用的以及具有高生成热的
12、BaF2有效。此外，不能形成稳定氧化物的银滑环和铜滑环在高级电刷磨损和助剂行为上相似。再者，X射线数据表明在换向器薄膜中存在不变的卤化物。目前还不清楚卤化物助剂的精确机理。随着航天器性能的提高，对航天器的电子系统提出了更多的要求，随后发现BaF2作为电刷材料是不恰当的。使用这种特殊助剂，需要预膜操作用作足够的保护。这就意味着电子机械必须在正常大气环境中运行一段精确的时间在滑环上形成薄膜。这是电刷低磨损率的先决条件。在这个高速发展的时代，这点显然不让人满意，从而引起了对能够提供快速保护的材料的需求。为了满足这一要求，MoS2作为电刷材料有了发展。它被证实有令人满意的快速成膜特点。然而，对于具体的
13、应用（航天器发动机的启动装置和发电机启动器），这些材料并不理想，出现了浓缩的MoS2碳电刷材料和碳酸锂浸渍的电化石墨电刷。这种材料也能提供快速保护作用，而且被证实在航天器电气设备中尤其有效，使用其他类型电刷表现并不好。对于实际应用要求更高的电流密度，快速成膜能力，出现了金属石墨电刷。它也适用于低电压的应用。另外一个解决高级电刷磨损问题的方法是使用除了铜以外的材料制作换向器和滑环。研究发现高级航天电刷磨损并不只发生在某些材料上。表II展示了D型电化石墨电刷在不同滑环材料上实验的结果。我们发现并不是所有的材料都产生极大的电刷磨损（在实验条件下）。铟或铝添加进铜中并不影响电刷的磨损，但添加锰、镍、铬
14、会影响。有趣的是石墨没有出现这种类型的磨损。然而，研究这些实验的海拔高度并未给出。用铑电镀滑环有一定的前景。铑电镀滑环实验显示了更低的电压降、试验温度，和轻微增加了高空保护。许多固体无机复合材料被研究用作助剂提高润滑能力或添加进缺少合适杂质气氛的石墨中。表III列出了一些这类材料。研究发现，像氧化物或者一定条件下能形成氧化物的材料（如硅酸盐、钼酸盐）一般不适用于做添加剂。值得注意的一些特例，他们都有六边形或薄层状晶体结构。一些除了公认的材料也能促进石墨的润滑能力。像苯和氨蒸汽被证实在低于正常大气压值下能降低磨损率和石墨的电噪声值。然而，为了达到相对低的磨损率，在周围气氛中材料的蒸汽压必须维持在
15、某一特定的值。每种材料的最小蒸汽压值都略不相同。一系列的实验表明随着分子链长度的逐渐增加到略大于1015埃这一最佳效果，润滑蒸汽的效率随之增加。在最佳的情况下，只有极少数的长有机高分子链能有效地为石墨产生低磨损率。在高真空范围内（10-81.33*10-6Pa），至少一种为人熟知的助剂BaF2不能有效阻止20%石墨-碳样品在电解银表面滑动磨损。然而，这助剂在1.330.133Pa内能起作用（摩擦系数0.075）。纯电化石墨碳在不同材料表面实验显示，当碳转移膜出现在匹配的界面上，有了最理想的磨损结果。但是，并不是所有表面都产生碳转移膜，明显地电解银和电镀金表面就很缺少。因此，在实验条件下，认为银
16、和金表面是没有任何残余表面氧化膜的，这似乎揭示了氧化膜是产生碳转移膜的必要条件。根据上述结论，转移膜是通过金属氧化物中的氧化学吸附碳所形成的。BaF2助剂不能提高碳的润滑能力也归因于缺少残余表面氧化物。在别处还讨论了表面氧化物和石墨膜的粘附间的关系。在这个例子中，石墨润滑失效归因于对界面弱的粘附力。人们认为表面氧化物的存在能提高石墨的粘附能力，但并没有讨论这种现象的机理。在这个假设下，高空电刷的难题与在海拔6000多米氧气不足的环境中，换向器材料表面的氧化物形成能力的降低有关。表面氧化物的缺少阻止了转移膜的形成，引起了石墨电刷的恶劣磨损。对一般由石墨电刷在铜制换向器滑动产生的薄膜分析，更有力支
17、持了表面氧化物这一假说。研究发现薄膜由明显的两层构成，氧化亚铜层上面有一层碳。另外，氧化亚铜层的厚度是实验接触温度的函数。研究还发现石墨的磨损率在一种相当独特的方面与表面氧化物的形成、破坏有关。这些实验中，电化石墨电刷在正常大气环境中以不同轻重载荷力在铜表面滑动运行。在相对轻的载荷下（50g），铜表面上的磨损轨迹呈浅褐色，界面的电阻逐渐地增加。薄膜的分析表明表面膜的主要成分是氧化亚铜和少量的石墨。在相对重的载荷下（500g），表面形成了一层黑色石墨，接触电阻维持较低的水平。经分析，这层黑色薄膜几乎不存在氧化铜和氧化亚铜。实验结果表明表面氧化膜层的主要作用是阻碍石墨扩散到铜表面，以此防止均匀的石
18、墨传输层的形成。随后发现，影响铜表面氧化膜层厚度的变量都会影响石墨电刷的磨损。当氧化膜完全磨损掉以及石墨的传输膜变成连续后，磨损率会达到一个极限值。铜和石墨最佳的滑动接触运行是在表面氧化膜形成和破坏的平衡间达到的。这平衡会被以下因素干扰：1电流，2电刷载荷，3运行速度，4大气和周围环境的湿度。图2总结了不同因素对石墨磨损的影响效果。有机硅对石墨磨损的影响。有机硅蒸汽会导致石墨电刷在铜上滑动产生极大的磨损。当有机硅绝缘体在完全封闭的机械中使用就会产生这一严重问题。再者，低至十万分之一的浓度都会引起严重的石墨电刷磨损。用于低湿度下服役的石墨电刷，当环境气氛中含有有机硅时，也会产生极大的磨损。因为有
19、机硅有其疏水的特性，有理论说有机硅蒸汽能吸附在石墨电刷表面阻止水蒸气的正常行为。 另一个假说表明有机硅蒸汽在实际接触区域被氧化，形成高耐磨的硅氧化物，这导致了石墨电刷的快速磨损。成型件。一般认为在洁净的高真空环境中，为获得滑动电接触的长期有效寿命必须持续供给润滑剂。这种说法以含有两种成分（一种润滑成分和一种高电导率组分）的成形件得到了自我证实。这些产品由金属骨架和填充润滑剂的空隙组成。随着金属骨架的磨损，润滑剂从材料的空隙中释放出来，因此提供了一段时间的有效的润滑。这类成型件因为金属骨架而增加了高电导和热导的特征。这类材料一般用作电刷，在各种滑环材料上运动。下面将会讨论这类的三种成型件。石墨成
20、型件。旨在提高石墨的电导率和维持其在大气中的润滑特性，这导致了许多金属浸渍的石墨材料的出现。其中有银浸渍的石墨电刷，含80%的银和20%的碳。电刷的银成分提供了高的电流承载能力。高银含量也导致了比纯石墨电刷更好的导热性。厂商文献中建议这类电刷应该和铸造银环匹配以在正常环境下获得最低的电刷磨损和电噪音。在干燥高真空环境中，银石墨电刷（80%银-20%碳）得到了令人失望的结果。在所有情况下，电刷磨损率非常高且在很短的间隔内接触电阻的波动达到了无法忍受的程度。这种状况看起来和实验的滑环材料无关。银-石墨电刷在纯银、纯铜、电镀银、电镀金、铑镀金等滑环材料上滑动试验。在干燥真空环境中，所有上述材料都不能
21、作为这种电刷匹配表面。二硫化钼成型件。与石墨不同，MoS2是有效的真空润滑剂，自然被认为可作为真空滑动接触应用领域的润滑剂。MoS2一般以Ag- MoS2电刷成型件的形式使用。实验表明成型件中必须要有一定量的MoS2以获得和纯MoS2相似的低磨损率。在Ag- MoS2复合材料中， MoS2成分含量不能少于10%以达到低的磨损。通常的成分是88%Ag和12% MoS2。纯摩擦磨损实验（界面无电流通过）表明最佳成分是10%的MoS2。Ag- Cu-MoS2组分在大气中实验结果如下。实验表明成型件中至少需要5%的MoS2以达到低磨损率。10%MoS2的组分似乎也是该实验的最佳选择。然而，随着2%到3
22、5% MoS2含量的变化，摩擦系数有略微的影响。88%Ag和12% MoS2的成型件在高真空实验中取得了一些成功。比较相应的石墨成型件在相同条件和材料上实验，它的噪音水平和磨损率都很低。在真空条件下，MoS2成型件的最佳结果是使用银或铑镀银作为滑环材料取得的。在这些条件下，铜滑环材料的性能比银及其复合物差了些。目前未能很好地解释上述情况的原因。真空电刷实验中，Ag- MoS2复合物中加入少量铜和钼以提高其磨损特性。铜含量增至15%，降低了电刷的磨损，却增加了滑环的磨损和电噪音。铜含量质量百分数的最佳值为2.5%左右。Ag- Mo-MoS2复合物被认为次于含有铜的复合物，在早期测试就中断了Mo组
23、分的试验。实验中使用的环材料是电镀银或电镀金。上述环材料的磨损比较相近，但是电镀金导致了更大的电刷材料的磨损。这特殊的Cu-Ag- MoS2复合物已经应用于滑环的装配中，它在1.33*10-5N/m2真空压和430V电压下承载着75安培的电流。电刷电流密度为46.5A/cm2，线速度为10.8m/min。在这种情况下，该复合物能在银环上实验700个小时。电噪音的峰值是4毫伏，电刷的总磨损为0.38mm。一般来说，各种复合物的电噪音在服役时会增强。一般实验结果是二硫化钼润滑的系统噪音在大气中比真空中更嘈杂，摩擦也更大。研究发现二硫化钼的润滑能力会因大气湿度而降低。滑动电接触实验表明，在大气中用电
24、噪音来衡量，石墨润滑的系统是略微优于二硫化钼的。因为块状二硫化钼是有相当高的电阻的半导体这一事实，所以不能将其作为滑动电接触润滑剂。它的特性会导致信号失真以及穿越界面时极大的信号损失。它是P型半导体，拥有大概850/cm的体电阻，这比一般电化石墨材料的电阻（10-3/cm）大6个数量级。二硫化钼其他的不利影响总结如下：天然MoS2的电阻在低电势时比较高，随着电势升高而下降。这部分是由电流的热效应以及电场作用引起的。随着温度接近红热，MoS2完全是良好的电导体。显然在温度、电压、电场中有一些关键的点，推测MoS2将经历同素异形体转变。同一样品或矿物的不同部位电性能存在很大差别。钼矿的电阻随着表面
25、光泽度的下降而减少。电子和光电效应呈无规律的变化。双金属热效应也是如此。当实验不同样品时，仔细测量发现存在电流从高正值到高负值的反转。这种现象存在MoS2、Cu或Pb中。在无线电的早期发展，辉钼矿是用来探测和整流电波的材料之一。它的该项价值并不高因为服役时其特别的难以理解的变化。许多调查者指出同一辉钼矿的不同区域的电性能存在极大的变化。这正好解释了它被无线电应用抛弃的原因。NbSe2成型件。二硫化钼令人失望的电性能刺激了研究者寻求别的可能作为真空滑动电接触润滑剂的复合材料。该复合物需同时拥有良好的润滑能力和低的体电阻。研究结果之一是发现了NbSe2复合物。该复合物有六边层状晶体结构，很有希望作
26、为润滑剂。它很重要的性能是很低的体电阻（5*10-4/cm），这比常用的MoS2好六个数量级，可以和石墨相媲美。在真空压（1.33*10-6pa）下进行NbSe2润滑剂的滑动电接触实验。其成型件中含有85%Ag和15% NbSe2。该成型件以电刷的形式在铸银（90%Ag、10%Cu）滑环上滑动试验。测试速度相当低（0.43r/h），电流密度为12.4A/cm2.结果显示NbSe2相比于MoS2成型件只有大约一半的电压降。这些数据还表明其电压降更加稳定。然而，磨损比同条件的MoS2成型件略微高些。深刻分析实验结果，还发现阳极磨损率是阴极磨损率的3倍以及阳极表面更坚硬。滚动体滑环金属膜润滑。另一种
27、解决在真空中维持两界面间的相对运动电流问题的方法是修正触点配置。这导致了滚动体轴承用作滑环替代传统使用的滑动体的出现。滚动体滑环已经成功地应用于旋转阳X射线管极许多年。现代用于高能量密度的旋转阳极X射线管，揭示了对轴承材料和润滑剂的需求。轴承使用环境如下：1高真空（1.33*10-41.33*10-6N/m2）2高温4756003高速300010000rpm4阳极电流达1A。对于X射线管一个特殊的应用，滚动体轴承的滚球和滚道由Wo-Co-Cr工具钢制成，它在工作温度时不会软化。这些轴承装满了滚球。银薄膜润滑剂只限于球体。最短的使用寿命为1000小时，一些轴承达到了1万小时的寿命。室温下的所以轴
28、承使用寿命都将超过1万小时。气相沉积获得的钡薄膜成功地润滑了含9%Co和4.5%Cr的工具钢轴承。然而，含有1.5%的Cr工具钢轴承润滑前必须先在球体上沉积一层Co相然后沉积钡薄膜。润滑结果令人满意，但磨损较高。如果Cr用于中间层，润滑和磨损都将表现良好。上述实验发现为达到好的磨损特征，中间层薄膜需要与基体材料合金化。显然地，应该用Cr薄膜作为中间层来合金化，而不是Co。Al和Ba的结合层也能产生极好的结果。Ba和Mn、Zr、Rh等的结合也能产生相似的效果。所有试验过的材料中（钡，金，银，铟，锌，锰，钙，铝，铜，铁，镍，钴，铬，锶，铂），钡的效果最好，尽管有一些材料有着相近的结果。Ba-Cr复
29、合物已经应用于润滑真空中服役的小件轻载荷的Co工具钢滚动体轴承。80%Ba-20%Cr复合物被蒸发到轴承上实现润滑轴承。用同一种润滑剂定期地润滑，这些轴承可以在478K温度下和3000rpm下使用4800小时。定期润滑是通过在V型槽中给予包含复合物的热电线来挥发额外的复合物到轴承上。二硫化钼润滑剂。MoS2也被用于滚动体轴承滑环的润滑剂。在测试中，两推力型轴承用4.44N的力互相承载，串联电路连接。试验在吸附泵的前级泵离子泵室中进行。这些抽运方式由于有机抽液的回流，消除了表面污染物的检测。MoS2润滑剂通过以下两种方法来测试轴承，1浸渍零件到含MoS2的酒精悬浮液2 MoS2的原位形成。MoS
30、2也以成型件的形式来制造轴承保持架。试验中，旋转速度从200到5000rpm不等，压强为1.33*10-7N/m2，电流为10mA。由440C不锈钢制成的轴承滚珠和滚道以及85%Au-15% MoS2成型件制成的保持架能获得最好的性能。实验前，该轴承用于MoS2的初始应用。使用MoS2润滑剂一般能检测到2到4毫欧姆的噪音值。在实验中，Devine观察到MoS2在大气中比在真空中电噪音更大。含电绝缘材料复合物的润滑。试验中，使用440C不锈钢制成的轴承滚珠和滚道以及玻璃纤维、聚四氟乙烯、MoS2复合物等制成的保持架，力学上磨合得很好，但有很高的电噪音。在大气中运行了1小时以后，1欧姆的初始接触电
31、阻增加到无穷大。之后，在真空条件下10mA的测试电流表明，接触电阻降到15到25欧姆之间。这些数据说明好的真空润滑剂也是良好的电绝缘体，它不能成功地用作低噪音电接触润滑剂。接触表面的绝缘薄膜的形成导致了真空中高的接触电阻以及大气中完全绝缘的接触。有机蒸汽润滑有机润滑剂在他们的限制条件下使用是非常有效的材料。他们只在比较窄的温度范围有效，拥有相当高的蒸汽压，但暴露经辐射后将严重退化。在实际应用中，有机润滑剂在真空环境中的使用需要附件来阻止过量的蒸发和润滑剂的极快损失。该附件也用于维持触点配制周围的润滑气氛。如果电接触中需要旋转，就需要密封件。这会额外增加设备的重量，对航天器零件将是绝对的不利的。
32、这些高蒸汽压材料可能因为从附件中泄气及由此产生的在附近表面的冷凝而成为问题的源头。附件中的泄气如果冷凝在附近作业的光学设备上将会尤其糟糕。从另一方面看滑动电接触的有机蒸汽润滑剂也不令人满意。在有机蒸汽气氛中的一些贵金属和银的滑动实验表明，这些材料的表面形成了无定形聚合物。不同的金属形成的聚合物的数量有所不同。钯比金形成的多，银比金或铂形成的少得多。金合金比纯金活性高。除了贵金属，别的材料也形成了一定数量的聚合物。表V展示了这些材料30种组合物质中，21种形成了聚合物。因为这些聚合物会自发地形成，所以滑动过程似乎并不需要。没有必要向电系统内人工加入有机蒸汽，因为有机电绝缘体可以提供材料的引发物质
33、。在表VI列出了有些电介质的聚合物的形成能力。实验使用普通的电介质材料，像酚醛树脂、四氟乙烯等，也显示了这些聚合物的产生。试验证明这些聚合物在一定条件下有减少某些材料的磨损的能力，尽管他们是电绝缘体，会降低电触的性能。这是另外一种摩擦磨损减少、电噪音增加的情况。然而，这些物质很容易破碎，接触电弧就会破坏这沉积物。最近试验似乎表明，聚合物的形成需要一层吸收表面膜。同时认为氧也参与了反应。如果过程中需要吸附膜和氧气，有机润滑剂在真空中的行为将会和大气中存在很大的不同。少数在真空中滑动电接触实验已经用有机蒸汽润滑剂进行研究。意识到聚合物形成的观测不是实验的主要目标，并没有提到聚合物在实验条件下的产生
34、。有机液体蒸汽，除了润滑石墨系统外，还用作润滑在真空下运行贵金属滑环。实验采用了贵金属合金线在硬镀金银的V型槽。考虑了三种低蒸汽压的有机液体：氯化硅、扩散泵烃油、合成酯。滑环通过放在一个密封的玻璃罐中来润滑，罐内放有含有许多某一选定润滑剂的少量玻璃棉。工作压力为1.33*10-3到1.33*10-4N/m2。有机液体蒸汽润滑剂保证了79天相对无噪音的操作。合成酯展示了最好的性能，接着是氯化硅。烃油在所测试的三种液体中性能最差。样品在较高的直流电中实验时，电噪音开始显著增加。少数预热真空系统的冷阱时产生的污染物，发现可以改善接触噪音实现低噪音操作。水蒸汽压从6.65*102到3.32*102 N
35、/m2也可以改善接触。硅胶也已经成功地应用于真空贵金属滑环的润滑。表VII和VIII列出了真空滑动电接触实验的主要结果。在仿太空环境中考虑薄膜作为滑动电接触润滑剂固体薄膜被认为是太空环境中滑动电接触最可行的润滑方法。因此，必须关注在这些条件下薄膜的可能行为。必须认真考虑薄膜材料的蒸发速率。薄膜在被太空中各种特殊情况的轰炸下会加速损失。持续的轰击也会导致薄膜电阻的改变，这可能引起电流操作的改变。随着薄膜完全消失，初期时接触表面会紧密连接，冷焊缝的凹凸将会出现。最终会出现严重的表面损害，引起摩擦的增加和极大的电噪音。因为绝大多数电接触是电绝缘的，摩擦的大小的改变都会导致比系于大构件和散热片的电接触
36、更高的体温度。这效应将会使薄膜挥发，缩短其使用寿命。金属的熔点并不是选择真空薄膜接触润滑剂有效的标准。熔点相差不大的材料在同一温度下蒸发速率会有几个数量级的差别（像铟和锌）。假如使用合金作润滑剂，将会发生合金组元的选择性挥发。这个过程将导致成分的变化，进而材料性能的变化。电接触行为中非常关注电性能和力学性能的改变。例如，硬度的改变会引起材料摩擦磨损性能的变化。这反过来会影响电噪音的大小。电阻的很大变化会导致极大的接触电流的损失。目前，固体薄膜润滑剂拥有很大的弊端。润滑薄膜只有有限的寿命。这种润滑薄膜是不可自我修复的。当接触区域的薄膜损耗完，材料就无效了。软金属薄膜低剪切强度的软金属，可作为超高
37、真空下滑动电接触的润滑剂。这类润滑剂在这方面十分有效，因为金属薄膜固有的良好的导电性以及对穿过接触界面电流通道最小的干扰。其次，许多这类材料即使在高温下蒸汽压也很低。薄膜一般用作润滑剂时，这一特征很重要。金属薄膜润滑剂是令人满意的，因为他们暴露在不同种辐射时会保持物理和电性能的完整。对于这些软金属薄膜能有效地用作润滑剂，必须保持较小的滑动固体间的接触区域。这个要求通过使用高硬度或高屈服的基体材料来实现。必须考虑这些硬质合金的电导率以减少穿过触点配置时的电流损失。金属薄膜在硬质基体作润滑剂的实验表明，一般当润滑剂薄膜厚度在10-5cm左右时，能获得最小的摩擦系数。更厚的薄膜导致更大的接触区域，反
38、之，更薄的膜不能完全阻止基体金属和具有均匀表面光洁度的材料的接触。如果基体材料经高度抛光，很薄的薄膜可能作为有效的润滑剂。金属薄膜润滑剂的一个有趣的特征是随着应用载荷的增加，它的摩擦系数将会减小。这已经被在钢基体材料上的铟、电镀铟薄膜（10-4cm厚）所证实。8kg的载荷下摩擦系数值降到0.04相比于0.5kg载荷下0.2的摩擦系数。这现象很可能对于在机械振动难题以及需施加重载荷来维持可靠的接触等环境下的滑动电接触操作有利。当然，除了利用电镀获得基体材料上的薄膜外，以上讨论的任一结果都可以使用其他方法来改变。使用铟金属薄膜作为润滑剂遇到的主要困难之一是金属膜对基体材料的粘附。一个对于耐用的薄膜
39、润滑剂的关键要求是薄膜必须牢固地粘附于基体材料。不良的膜粘附力显示其用作润滑剂的短暂寿命。很多情况下，当薄膜破裂，便开始了即时滑动。目前有许多方法可用于沉积不同材料的薄膜到各种基体材料上。这些方法能精确地控制薄膜的厚度，最重要的是保证膜能牢固地粘附于基体材料。这些基本特征使这些方法十分有效地用于沉积滑动电接触薄膜润滑剂。每一种方法将会在接下来的篇幅中被讨论。真空气相沉积薄膜成形。参考文献36中真空气相沉积实验讲述了一个大约1.8*10-7m厚的金薄膜沉积到Ni10Cr的合金基体材料上。在沉积膜前，在高真空下用电子枪清洁和热侵蚀基体材料。然后金从丝式源中蒸发，再沉积到热的基体上。真空中使用这种金
40、膜作为润滑剂，铌作为匹配材料的摩擦实验表明摩擦系数相对较低（0.3）以及在后期一段时间内一直保持较低。得到这个结果是因为基体材料和薄膜的良好粘结。对于这个现象的解释基于一个事实，因为高温的基体材料和理想的合金已经形成了金膜和基体材料间的扩散区域。这个扩散区域匹配了基体材料的性能和薄膜的性能。离子电镀薄膜成形。基体材料上膜的沉积也可以通过离子电镀来获得。这种方法中，膜材料电离蒸发成氩等离子体。带正电核的电离材料加速冲向保持相对于蒸发源高负电荷的基体材料。金属离子因为来源于电场的高的活化能而渗透进基体材料进而形成扩散区域，就像前面所述的真空气相沉积。然而，离子电镀方法有一些重要的优点：1基体材料不
41、需要加热2在基体材料没有相对于蒸发源旋转情况下曲面或阴影面也可以电镀3基体材料和膜材料不需要互溶就能形成扩散区域4在基体材料整个表面都有均匀的沉积膜5沉积膜材料的过程中以及实验之前基体材料都被持续地清洁，这提高了膜的粘附能力。6任何已经沉积的粘附能力差的膜材料将被飞溅出，进行再电离和再沉积。这种方法沉积的膜稍微优于真空气相沉积薄膜。真空摩擦实验中，使用1.5*10-7m厚的金膜离子电镀于Ni10Cr基体材料，铌作为匹配的表面，实验显示摩擦系数为0.2。其次，膜的寿命比使用同一材料真空气相沉积于同种材料的要长一些。图4比较了这些金膜的摩擦系数和有效寿命。离子溅射复合物薄膜成形真空气相沉积和离子电
42、镀过程有一个局限性。这两个过程中,膜材料需要加热到蒸发点或升华点。其次，膜材料在整个过程中需要保持分子的完整性，假如基体材料上的膜和母材有相同的成分。这些过程中不能使用复合物，因为它在温度达到蒸发点或升华点前就分解了。最新的一项离子溅射技术，不要求膜材料一次加热，因此并不会受到上述要求的限制。在离子溅射过程中，通过正离子轰炸带大量负电荷的膜材料产生薄膜。这行为以物理方式去除膜材料的表面原子，然后在接近膜材料的地方沉积到基体材料上。曲面的电镀要求基体材料相对于膜材料旋转。离子溅射过程普遍适用，被认为可以在任何物质上沉积任何物质。这个过程开创了一个广阔领域的可能性，因为它能沉积传统方法所不能的薄膜
43、等材料。包括玻璃、陶瓷、塑料、半导体复合物、合金等材料。然而，绝缘材料虽然也能成功地溅射，但需要使用无线频率电源。其次，难熔材料（钨铼钽钼）也可以轻松地溅射。然而，不同材料的溅射速率有很大的差别。这一过程使得沉积对真空环境中的滑动电接触以及其他滑动机制拥有良好润滑能力的各种薄膜成为了可能。最近在摩擦磨损领域实验研究发现离子溅射过程可成功应用于MoS2薄膜的沉积。真空摩擦实验表明在铌基体材料上离子溅射沉积2-3*10-7m厚的MoS2薄膜在铌匹配材料上滑动，只有大约0.09的摩擦系数。这个值是一般粘结MoS2薄膜的特征值。材料在2.5cm/s低速下以及250g载荷下实验，以低摩擦运行了5小时。当
44、5小时候后实验结束，MoS2薄膜还没有失效。这持久的有效寿命是由膜材料对基体材料的极好的粘附能力导致的，由此表明薄膜在一段较长时间内可以成功用作润滑剂。 结论回顾真空中滑动电接触的文献，如果想要使接触在低的电噪音下运行一段较长时间，滑动电接触的润滑是必要的。真空环境中滑动电接触的性质要求润滑剂必须满足以下主要准则：1润滑剂在所有预期环境的变化下都能保持稳定。2润滑剂不能严重阻碍电流在接触界面的传导。3润滑剂能使滑动接触的摩擦磨损值降低到合理的范围内。4如果接触不是封闭的，在预期的环境条件下润滑剂的蒸发率要比较低。同时要考虑蒸发材料在附近表面的冷凝带来的不利影响。使用上述准则作为评价的依据，可以
45、得出一些关于真空中电接触润滑材料性能的结论。石墨在高真空条件下，表面污染物很少，石墨不是润滑剂，因此不能有效地在真空下服役一段时间。它的润滑能力取决于表面氧化物和其他真空中缺乏的污染物。然而，银-石墨成型件在大气中使用略微优于二硫化钼成型件。二硫化钼12%Mo-88%Ag成型件在真空中银滑环上实验时给出了可接受的性能。二硫化钼相对高的体电阻和半导体特征是主要制约其成型件使用的因素。二锡化铌由12%NbSe2-88%Ag成型件制成的电刷在真空中展现了很极好的性能。与铸银表面匹配时的噪音比同等条件下二硫化钼的要低，尽管磨损稍微高了些。该材料拥有的最大优势是低的体电阻。有机润滑剂有机蒸汽润滑的贵金属
46、在半封闭系统中以及相对低的压力下滑动电接触获得了很长的有效寿命和低噪音。在使用有机润滑剂结合贵金属时，绝缘沉积摩擦聚合物形成的可能性和有机材料低的抗辐射性导致它们作为太空应用受到了质疑。含绝缘材料的复合物几乎没有使用含有绝缘材料的复合物做真空滑动或滚动电接触的实验表明这些材料导致噪音接触。接触变得吵杂是由于两导电界面绝缘膜的形成。如果膜达到不能电分解的厚度，尽管接触有低的摩擦磨损，但接触区域有无限大的电阻。这个重要的观念可以扩展到任何绝缘的以及在匹配材料上会转移的润滑材料。因此，这一系列材料不能用作真空滑动电接触润滑剂。金属薄膜目前，金属薄膜润滑剂最有可能作为真空中滑动或滚动的电接触的润滑剂。滚动体电接触在现代旋转阳极X射线管的极限条件下使用金属薄膜润滑剂成功运行了很长时间。这种润滑膜是天然的良好电导体。其次，在这些膜中普遍使用的材料在高温下有相对低的蒸汽压以及真空中的稳定性。有一系列极好的适用方法让这些膜附于基体材料上。这些方法几乎能制备任何膜且材料的组合种类繁多，但是这类润滑剂最显著的缺点是有限的使用寿命。真空中金属润滑剂薄膜耐久性领域的深入研究是值得的，其科研结果将会是无价的。路易斯研究中心 美国国家航空和航天局俄亥俄州克里福兰市 1967.11.30129-03-13-02-22本人 翻译于2012年12月21日专心-专注-专业