石墨與MoS2配比對空間對接用摩擦材料性能的影響

肖葉龍，姚萍屏，貢太敏，趙 林，譚慧強，靳宗向

(1. 中南大學 粉末冶金國家重點實驗室，長沙 410083；2. 上海市空間飛行器機構重點實驗室，上海 201108)

石墨與MoS2配比對空間對接用摩擦材料性能的影響

肖葉龍1，姚萍屏1，貢太敏1，趙 林1，譚慧強1，靳宗向2

(1. 中南大學 粉末冶金國家重點實驗室，長沙 410083；2. 上海市空間飛行器機構重點實驗室，上海 201108)

采用粉末冶金技術制備含石墨與MoS2的空間對接機構用銅基摩擦材料，研究石墨與MoS2的配比(石墨與MoS2的質量比)對材料的顯微組織、物理性能和摩擦學性能的影響。結果表明：隨著MoS2含量的增加(石墨含量相應地減少)，材料的顯微組織逐漸趨向均勻，其密度與表觀硬度逐漸增加；當石墨與MoS2的質量比為4:8時，摩擦材料具有較高的摩擦因數、較高的摩擦因數穩定度和較小的磨損量，且大氣與低真空中的摩擦因數相差較小；大氣與低真空下的對比實驗驗證了材料具有良好的真空摩擦學性能。

石墨；MoS2；粉末冶金；空間對接；摩擦材料

空間對接用摩擦材料是航天器間交會對接的關鍵部件之一，它應具備對接過程中的制動、離合及安全保護功能。由于國外高度的技術保密，所以對于此類材料的報道甚少，我國對于此類材料的研究還處于初級階段。為了成功實現我國空間交會對接，并于2020年前后建成載人空間站，開展空間對接用摩擦材料的研究具有重要的意義[1?2]。

銅基粉末冶金摩擦材料具有導熱性優良、耐磨性好、摩擦因數高和對對偶零件的磨損小等優點，適用于各種制動和傳動設備[3?4]。研究發現，無論在大氣還是在真空狀態下，銅基粉末冶金摩擦材料的摩擦磨損性能均比較穩定[5]。前期研究表明，空間對接用摩擦材料可采用銅基粉末冶金摩擦材料。一方面它可以能動地調節摩擦副的摩擦學性能；另一方面，受高真空、高低溫、原子氧和輻射等影響較小。

銅基粉末冶金摩擦材料由基體組元、潤滑組元和摩擦組元組成。潤滑組元對材料摩擦學性能有著非常重要的影響，它能減少或完全消除粘結和卡滯，促使摩擦平穩，減小表面磨損。石墨和MoS2是兩種應用最廣泛的潤滑劑，均具有六方晶系層狀結構，層內原子間結合力很強，層與層的原子之間的結合很弱，很容易沿層間解理，分離出薄層，因此，可以起到很好的潤滑作用[6?8]。為了保證銅基粉末冶金摩擦材料獲得穩定的摩擦學性能，要求石墨含量不低于5%，但其含量也不應過高，以免使材料的硬度和密度等物理機械性能變差。加入摩擦材料中的MoS2在還原性氣氛甚至惰性氣氛中燒結時會發生分解，并與其他組元反應生成金屬硫化物，這些金屬硫化物具有與MoS2類似的結構，具有一定的潤滑性能[9?11]。

摩擦材料很少采用單一的潤滑組元，而是含有兩種或以上的潤滑組元。許少凡等[12]和LI等[13]在含石墨的銅基材料中添加不同含量的MoS2，結果表明，添加適量MoS2的材料比沒有添加MoS2材料的綜合性能更佳。本文作者選用不同配比的石墨、MoS2添加于空間對接用銅基粉末冶金摩擦材料中，探討其對材料物理及摩擦學性能的影響，獲得兩者在材料中的最優化配比及作用機理。

1 實驗

1.1 試樣制備

試樣的化學成分見表1。按表1所示比例稱取粉末，在V型混料機中混合6～8 h，混合后添加適量成型劑，拌勻并烘干；混合料在350～450 MPa下冷壓成形；壓坯置于加壓燒結爐中進行加壓燒結，爐溫低于450 ℃時采用H2保護，并在450 ℃保溫0.5 h，然后通Ar保護，燒結保溫溫度為780～850 ℃，保溫壓力為1.5～2.5 MPa，保溫時間為2 h。

表1 材料的化學成分Table 1 Chemical compositions of materials

1.2 測試分析

通過MeF3A型金相顯微鏡觀察經FeCl3飽和酒精溶液表面腐蝕后試樣的金相顯微組織結構；采用HR?150A型洛氏硬度計測量試樣的表觀硬度；根據國家標準GB/T5163—2006測定試樣的密度和開孔隙率；將燒結后的材料加工成d80 mm×50 mm環形試樣，對偶材料選用2Cr13(37～42HRC)，在經技術改造后的MM?1000型摩擦試驗機上進行摩擦磨損性能測試(外加載荷3.2×104Pa)，環境溫度室溫，轉速12 m/s，試驗時間10 s。試驗分別在大氣和低真空(2～ 0.05 Pa)環境下進行。每個條件下重復10次為一個數據統計周期，并取平均值；用KH?7700光學表面分析顯微鏡觀察摩擦磨損試驗后試樣的摩擦表面；采用分度值為0.1 mg的光學讀數分析天平測量試樣摩擦試驗前后的質量，計算材料的質量磨損量。

2 結果與討論

2.1 石墨與MoS2質量比對材料組織結構的影響

不同石墨與MoS2質量比的試樣經腐蝕后的金相顯微組織如圖1所示。由圖1可知，未添加MoS2的試樣中石墨呈大塊狀不均勻地分布于基體，這主要由于石墨密度遠低于銅等粉末的密度，在混料過程中很容易出現密度偏析而不均勻；隨著MoS2含量的增加，大塊石墨逐漸分散，呈小片狀均勻分布。材料在燒結過程中，MoS2發生分解，并與其他組元作用生成銅鉬硫、Mo2C和Cu7S4金屬硫化物等新相[10]，新相與石墨等相均勻分布于基體；當石墨完全被MoS2代替后，石墨相消失，完全被灰色的新相替代，材料更加致密。材料中各相的結合與分布在很大程度上決定材料的性能。

2.2 石墨與MoS2質量比對材料密度、開孔隙率和硬度的影響

圖1 石墨與MoS2含量不同時材料的金相顯微組織Fig. 1 Metallographic microstructures of materials with different graphite and MoS2contents: (a) Sample A1; (b) Sample A3; (c) Sample A5; (d) Sample A7

圖2 材料的密度、開孔隙率及硬度隨石墨與MoS2質量比的變化曲線Fig. 2 Variations of density, open porosity (a) and apparent hardness (b) with mass ratio of graphite to MoS2

圖2(a)所示為材料的密度及開孔隙率隨石墨與MoS2質量比的變化趨勢圖。從圖2(a)可以看出，在潤滑組元(石墨、MoS2)總含量(12%，質量分數)不變的情況下，當MoS2含量(質量分數)從0增加到12%時，材料的密度從4.8 g/cm3增大到5.69 g/cm3，而開孔隙率從8.27%降低到5.87%，即增加MoS2的含量，材料的密度增加，開孔隙率降低。這是由于：一方面MoS2的密度高于石墨的密度；另一方面添加的MoS2在燒結過程中分解后的產物S和Mo具有很高的活性，在與基體中其他組元反應過程中，降低了材料的孔隙度，對材料的密度的提高也有一定的貢獻。可見，在潤滑組元(石墨、MoS2)保持不變的條件下，提高 MoS2的含量，材料的密度呈增加趨勢，而開孔隙率則降低。

圖2(b)所示為材料的表觀硬度隨石墨與MoS2質量比的變化趨勢圖。由圖2(b)可知，隨著MoS2含量的增加，材料的硬度大幅度提高。摩擦材料的表觀硬度主要與基體的強度和孔隙度有關，強度高、孔隙小，則表觀硬度高[14]。由圖2(a)可知，隨著MoS2含量的增加，材料的孔隙度明顯下降，材料的表觀硬度增加；由圖1可以發現，當石墨含量較高時，材料表面覆蓋一層石墨，而石墨的硬度相對較低，致使材料的硬度不高。當MoS2含量的增加時，摩擦材料中形成的新相，在一定程度上對材料基體起到彌散強化作用，從而使材料的硬度提高。而且MoS2的含量增加，形成新相的數量也就相應地增多，強化效果增強，材料硬度相應增加。

2.3 石墨與MoS2質量比對材料摩擦磨損性能的影響

2.3.1 石墨與MoS2質量比對材料摩擦因數的影響

圖3所示為不同試樣的摩擦因數變化曲線。由圖3可知，石墨與MoS2的質量比對摩擦因數的影響可以分為3個階段：當石墨與MoS2的質量比由12:0降低到6:6時，大氣環境下的摩擦因數大幅上升，而低真空環境下幾乎不變，且兩種環境下的摩擦因數相差較大；當石墨與MoS2的質量比由6:6降低到4:8時，大氣環境下的摩擦因數基本保持不變，而低真空環境下存在突變，摩擦因數急劇增加；當石墨與MoS2的質量比從4:8降低到0:12時，兩種環境下的摩擦因數均稍有降低，且差別有所縮小，隨MoS2的增加，差別進一步縮小。此變化趨勢主要由潤滑組元及新相的含量決定，由于石墨的含量不斷降低，加入的MoS2與其他組元反應生成銅鉬硫、Mo2C等硬脆相和Cu7S4等金屬硫化物。材料中的硬脆相(摩擦組元)提高了材料的摩擦因數，而金屬硫化物充當潤滑組元，起降低和穩定摩擦因數的作用。

圖3 材料摩擦因數隨石墨與MoS2質量比的變化Fig. 3 Variation of friction coefficient with mass ratio of graphite to MoS2

從圖3可以發現，材料在大氣環境中的摩擦因數高于真空環境中的摩擦因數，根據修正黏著摩擦理論[15]：

式中：μ為材料的摩擦因數；τf為軟表面膜的剪切強度極限；σs為硬基體材料的受壓屈服極限。對于材料而言，σs為常數，摩擦因數的大小取決于軟表面膜的抗剪切能力。真空環境中空氣介質從摩擦表面解吸，材料在摩擦過程形成由石墨和金屬硫化物等成分組成的摩擦膜，具有較弱的抗剪切能力、易滑動的性質以及良好的潤滑作用。而在大氣環境中，材料暴露于大氣，形成含有氧化物的摩擦膜(氧化膜)，氧化膜的抗剪切強度高于摩擦膜的抗剪切強度[16]，導致大氣環境中的摩擦因數大于真空環境中的摩擦因數。

2.3.2 石墨與MoS2質量比對材料耐磨損性能的影響

圖4所示為試樣的磨損量變化曲線。材料在大氣與低真空中的磨損量隨石墨與MoS2質量比的變化趨勢相近。材料的磨損量可以分為兩個階段：當質量比從12:0降低到6:6，磨損量較小，且變化不大，當質量比為6:6時，材料的磨損量達到最小值，表明添加少量的MoS2對材料的磨損影響不大；而當石墨與MoS2的質量比從6:6降低到0:12時，材料的磨損量迅速增加，雖然增加MoS2含量可以提高材料的硬度和密度，降低材料的開孔隙率，但材料的磨損量迅速增加。這主要與加入的MoS2和其他組元作用形成的銅鉬硫、Mo2C等一些硬脆相有關，加入的量越多，形成的硬脆相就越多，材料脆性增加，材料摩擦表面易產生微裂紋，出現剝層，導致磨損加劇。

圖4 材料的磨損量隨石墨與MoS2質量比的變化Fig. 4 Variation of mass loss of material with mass ratio of graphite to MoS2

2.3.3 石墨與MoS2質量比對材料摩擦因數穩定系數的影響

圖5 摩擦因數穩定系數隨石墨與MoS2質量比的變化Fig. 5 Variation of stable coefficient of friction coefficient with mass ratio of graphite to MoS2

摩擦因數穩定系數為平均摩擦因數與最大摩擦因數的比值。穩定系數越大，材料的摩擦性能越平穩，反之越差[1]。圖5所示為不同石墨與MoS2質量比下試樣的穩定系數變化趨勢圖。由圖5可知，隨石墨與MoS2質量比的減小，大氣下的穩定系數呈升高趨勢；試樣在低真空下的穩定系數高于大氣中的穩定系數，且隨石墨與MoS2質量比的減小，其差值變小，表明材料具有高穩定的真空摩擦因數。雖然石墨的含量逐漸降低，MoS2在燒結過程中基本分解，潤滑組元減少，但同時生成了一些具有潤滑性能的金屬硫化物，材料在大氣中的穩定系數有所提高。由于材料真空中只能形成摩擦膜，摩擦膜在無氧化物的參與下，其潤滑作用更佳，從而導致材料在真空下的摩擦因數更低，穩定度提高。

2.4 摩擦表面分析

圖6所示為大氣環境下試樣經摩擦實驗后摩擦表面的形貌。可以看出，當石墨含量較高時(見圖6(a)和(b))，表面分布著大塊狀石墨，導致材料的硬度較低，對偶材料的微突體易嵌入材料而產生明顯的犁溝效應；另一方面，石墨與基體的結合強度較弱，石墨及其周邊材料易萌發微裂紋，導致材料磨損。表面的石墨及脫落的石墨均參與摩擦過程，而使材料的摩擦因數較低。當石墨含量逐漸降低(MoS2含量相應地增高，見圖6(c))時，石墨呈小片狀均勻地分布于摩擦表面，材料愈致密。由于MoS2在燒結過程中分解，與其他成分發生反應形成具有潤滑作用的硫化物和能提高摩擦因數的硬脆相，潤滑組元逐漸減少，而摩擦組元逐漸增多，使得材料的摩擦因數和硬度提高，犁溝效應減弱，摩擦表面光滑平整，潤滑膜連續性好，摩擦過程更平穩，穩定系數較高。但當MoS2含量達到12%(見圖6(d))時，摩擦表面出現很多微裂紋，這是由于形成的硬脆相較多，材料脆性增加，材料摩擦表面易產生微裂紋，這些裂紋的存在是導致材料磨損增加的根本原因。

圖6 大氣環境下試樣摩擦表面的形貌Fig. 6 Wear surface morphologies of samples in air: (a) Sample A1; (b) Sample A3; (c) Sample A5; (d) Sample A7

圖7 低真空環境下試樣摩擦表面的形貌Fig. 7 Wear surface morphologies of samples in low vacuum: (a) Sample A1; (b) Sample A3; (c) Sample A5; (d) Sample A7

材料在真空環境下實驗后的摩擦表面形貌如圖7所示。由圖7可知，材料表面覆蓋著一層灰黑色的表面膜，其表面平整，光澤度低于大氣下摩擦表面的。由于在真空環境下，空氣等介質從材料表面解吸，在摩擦過程中從材料脫落的石墨和金屬硫化物等經反復摩擦涂抹于材料表面，從而形成具有一定潤滑作用的摩擦膜。而在大氣環境下，材料暴露在空氣中，由于摩擦熱導致材料氧化，表面形成含有氧化物的復雜摩擦膜(氧化膜，如圖6中紅黃色物質所示，見網上電子版)。兩種不同的表面膜致使材料的表面狀態產生差異，從而引起摩擦學性能的不同。真空環境下石墨與MoS2的質量比對材料的影響與大氣環境下的影響相似，石墨含量較高時，材料表面硬度較低，產生較為明顯的犁溝現象(見圖7(a))，而當石墨含量降低、MoS2含量相應增加時，材料脆性增加，材料表面易萌生微裂紋(見圖7 (d))，這是由于灰黑色摩擦膜的涂抹，沒有大氣環境下的明顯。這些摩擦膜的存在能避免在摩擦過程中摩擦材料與對偶件的直接接觸，防止粘著現象的發生，有利于保持材料的摩擦穩定性。

3 結論

1) 當潤滑組元(石墨、MoS2)的總含量不變時，隨著石墨含量的降低，MoS2含量相應地增高，MoS2與其他組元反應形成的新相均勻彌散地分布于材料中，有利于材料顯微組織均勻化，新相彌散強化作用增強，因此，材料的開孔隙率逐漸降低，密度與表觀硬度明顯增加。

2) 石墨與MoS2質量比的變化導致潤滑組元與硬脆相等含量的改變，當石墨含量較高時，材料摩擦因數較小，摩擦表面的犁溝效應明顯；而當MoS2含量較高時，硬脆相含量增加，摩擦表面在摩擦力的反復作用下，易形成微裂紋，材料的磨損增加，當石墨與MoS2的質量比為4:8時，摩擦材料具有較大且穩定的摩擦因數和較小的磨損量。

3) 材料于大氣環境和真空環境中的摩擦學性能差異主要來源于材料表面膜性質的差異，相對大氣中形成的表面氧化膜，真空下生成的摩擦膜有利于穩定材料的摩擦因數。

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(編輯 陳衛萍)

Effects of proportion of graphite and MoS2on performances of space docking friction material

XIAO Ye-long1, YAO Ping-ping1, GONG Tai-min1, ZHAO Lin1, TAN Hui-qiang1, JIN Zong-xiang2
(1. State Key Laboratory of Powder Metallurgy, Central South University, Changsha 410083, China; 2. Shanghai Key Laboratory of Spacecraft Mechanism, Shanghai 201108, China)

The effects of proportion of graphite and MoS2(mass ratio of graphite to MoS2) ingredients on the microstructure, physical and tribological performances of space docking Cu-based friction material made by powder metallurgy technology were investigated. The results indicate that the microstructure becomes more homogeneous, the apparent hardness and density of the material increase with the increase of MoS2content (graphite content reduces relatively) obviously; when the mass ratio of graphite to MoS2is 4:8, the material obtains excellent comprehensive properties such as high friction coefficient and stable coefficient of friction coefficient, and good wear-resistance; the contrast experiments in air and low vacuum denote that materials possess excellent tribological performances in vacuum.

graphite; MoS2; powder metallurgy; space docking; friction material

TF125.9

A

國家自然科學基金資助項目(51175516, 50875264)；湖南省杰出青年基金資助項目(10JJ1009)；上海市空間飛行器機構重點實驗室開放課題資助項目(QT2010-081)

2011-08-22；

2011-12-16

姚萍屏，教授，博士；電話：0731-88876614; E-mail: ppyao@csu.edu.cn

1004-0609(2012)09-2539-07