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1、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。石墨由于它的润滑实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，它的运用也存在难题。尽管NbSe2在相同的基体上试验的磨损率比MoS2高些，但它的电阻率比MoS2低，是良好的真空润滑剂。滚动体滑环已经胜利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许久的有效寿命。MoS2作为轴承罩的一种成分材料，在较温柔的条件下也取得了胜利应用。然而，介电笼材料由于在轴
2、承件表面会形成绝缘薄膜而难以运用。运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肯定的困难，因为可能会形成不良的高分子和这类材料抗辐射实力低。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（摩擦试验中获得的）的运用寿命将。依据之前的试验数据，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须要牢靠的操作性、低的接触电阻。这种电接触材料一般依据在大气环境运用良好的材料来选择。在这种条件下，材
3、料的接触表面会覆盖一层汲取或化学吸附的气体、水、硫酸盐、碳酸盐和其他杂质。摩擦磨损领域的试验已经证明这些薄膜在滑动过程材料的行为中起了关键的作用。然而，在太空中运用这些材料，有效的薄膜会因磨损，解析或挥发而消逝。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变更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，接触表面快速恶化。这会导致极大的磨损率，摩擦系数的上升接触电阻大的波动以及无法忍受的电噪音。在极限状况下，恶劣的咬粘将出现致使机械完全失效。对于地球大气外的试验，须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。全部这些要求在不显著影响滑动电接
4、触基本功能的状况下完成。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困难。每一种因素对不同润滑剂都有独特的影响。在全部条件下试验，电接触润滑剂不能阻碍传导电子穿过接触界面。这就须要是个完全稳定的电导体，不管它遭受任何类型，大小，许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运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，除了他们是电绝缘体因此在滑动接触电气作业
5、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运用。全部这些材料，除了MoS2，在滑动电接触中不能供应有效的润滑，除非实行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足的性质：层状晶体结构和低的体电阻率。这类材料的某些成分，尤其是NbSe2，已经证明是
6、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运用这些材料会导致接触表面形成绝缘薄膜。假如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试验的发展同样适用于滑动电接触领域。然而，这些概念用来说明电性能时须要肯定的修正。在电滑动系统由于电能穿越界面的流淌性产生其他一些问题。在志向状况下，滑动电接触应当表现得如同不在电路中。实际状况
7、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需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更引起的，它反过来又引起接触电阻的变更。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确定着一个接触系统的有效寿命。详细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，尤其是在旋转阳极X射线管
8、中。这些设备在真空中作业遇到的问题和滑动体滑环的特别相像。然而，因为轴承通常须要承受一个负载，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，这个特征具有可能削减电噪音的优势，因为其增加了维持连续电流在轴承上传导的可能性。2不再须要单独配置滑环。最终的结果是削减了成型设备的质量。运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探讨工作，进而说明各种作为润滑剂材料的润滑实力和优劣势。滑动电接触的固体、薄膜润滑剂将会和最佳沉积薄膜润滑剂的
9、方法一起探讨。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。试验结果该领域的调查一些试验探讨已经完成了关于真空中滑动电接触润滑领域探究。要比较不同试验结果是困难的，因为试验参数和测量设备有很大的不同。很多状况下，试验结果可能被下列因素影响：1运用抽气系统的类型，2在同时进行的不同试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试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。然而，这些试验是特别有意
10、义的，因为不管运用的试验方案，一些事实是明显的。大部分真空试验只关注石墨和二硫化钼在一些基体接触材料上的滑动。现在试验也起先关注NbSe2。其他试验探讨对太空中贵金属合金的滑动电接触运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。其次次世界大战时首次发觉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样的磨损。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的范德华力坚固在每一层中，
11、从而允许平行于位面的弱剪切力。因此，石墨润滑实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缘由，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简单解决。此后很快发觉在四周环境必需存在肯定少量的水蒸汽和氧气来提高石墨的润滑实力。通过用金属卤化物浸渍电刷材料首次很胜利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）没有广泛运用的以及具有高生成热的BaF2有效。此外，不能形
12、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像。再者，X射线数据表明在换向器薄膜中存在不变的卤化物。目前还不清晰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，随后发觉BaF2作为电刷材料是不恰当的。运用这种特殊助剂，须要预膜操作用作足够的爱护。这就意味着电子机械必需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，这点明显不让人满足，从而引起了对能够供应快速爱护的材料的需求。为了满足这一要求，MoS2作为电刷材料有了发展。它被证明有令人满足的快速成膜特点。然而，对于详细的应用（航天器发动机的启动装
13、置和发电机启动器），这些材料并不志向，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。这种材料也能供应快速爱护作用，而且被证明在航天器电气设备中尤其有效，运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，快速成膜实力，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运用除了铜以外的材料制作换向器和滑环。探讨发觉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试验的结果。我们发觉并不是全部的材料都产生极大的电刷磨损（在试验条件下）。铟或铝添加进铜中并不影响电刷的磨损，但添加锰、镍、铬会影响。好玩的是石墨没有出
14、现这种类型的磨损。然而，探讨这些试验的海拔高度并未给出。用铑电镀滑环有肯定的前景。铑电镀滑环试验显示了更低的电压降、试验温度，和稍微增加了高空爱护。很多固体无机复合材料被探讨用作助剂提高润滑实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。探讨发觉，像氧化物或者肯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。值得留意的一些特例，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实力。像苯和氨蒸汽被证明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，在四周气氛中材料的蒸汽压必需维持在某一特定的值。每种材料的最
15、小蒸汽压值都略不相同。一系列的试验表明随着分子链长度的渐渐增加到略大于1015埃这一最佳效果，润滑蒸汽的效率随之增加。在最佳的状况下，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不能有效阻挡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试验显示，当碳转移膜出现在匹配的界面上，有了最志向的磨损结果。但是，并不是全部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，在试验条件下，认为银和金表面是没有任何残余表面
16、氧化膜的，这好像揭示了氧化膜是产生碳转移膜的必要条件。依据上述结论，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实力也归因于缺少残余表面氧化物。在别处还探讨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实力，但并没有探讨这种现象的机理。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实力的降低有关。表面氧化物的缺少阻挡了转移膜的形成，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，更有力支持了表面氧化物这一假说。探讨发觉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试验接触温度的函数。探讨还发觉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。这些试验中，电化石墨电刷在正常大气环境中以不同轻重
