空間滾動軸承MoS2薄膜潤滑分子動力學模擬

摘要：針對空間滾動軸承往復運動狀態(tài)下二硫化鉬薄膜潤滑失效機理不明的難題，提出了采用分子動力學對薄膜潤滑過程進行分析的方法。建立了單層二硫化鉬薄膜摩擦原子模型，針對載荷和環(huán)境溫度這2 個空間滾動軸承的重要影響因素展開了二硫化鉬薄膜的往復擺動模擬，得到了摩擦過程中二硫化鉬薄膜的摩擦力、粘附力和磨損情況。模擬結果表明：Fe-Ni-Cr 合金探針在單層二硫化鉬薄膜上的摩擦為黏滑運動，載荷在20～100 nN 范圍內探針的摩擦過程不會對薄膜造成磨損，但在往復運動過程中潤滑性能有所提高；載荷從200 nN 開始探針的摩擦過程會對薄膜造成磨損，往復運動過程中摩擦系數不斷提高，潤滑性能下降；400 nN 為單層薄膜的載荷極限，在該載荷下探針會刺穿薄膜與基底接觸此時薄膜迅速磨損失去潤滑作用。環(huán)境溫度在1 773.15 K 以下對薄膜的潤滑作用影響不明顯，但達到該溫度后薄膜邊界處開始緩慢熔化，當環(huán)境溫度達到二硫化鉬熔點時薄膜的熔化速度加快并失去潤滑作用。從這些發(fā)現得到如下結論：二硫化鉬單層薄膜在接觸載荷8 GPa 以下擁有優(yōu)異的耐磨性和潤滑性；在薄膜未破損的條件下，反復摩擦過程提升了潤滑性能；二維層狀結構對單層二硫化鉬薄膜潤滑性能有重要的影響，高溫和重載都會對薄膜層狀結構造成破壞。

關鍵詞：二硫化鉬；Fe-Ni-Cr 合金；分子動力學仿真；微觀摩擦；空間滾動軸承

中圖分類號：TH133 文獻標志碼：A 文章編號：1000-582X（2024）07-043-10

從2004 年英國曼切斯特大學Novoselov 等[1]通過機械剝離的方式獲得石墨烯后，人們對類石墨烯納米材料開始了廣泛的研究。二硫化鉬（MoS2）因為擁有1.8 eV 的能帶間隙和二維層狀結構，在半導體鄰域備受關注，被認為是次世代最優(yōu)秀的半導體材料之一，而且MoS2 因為優(yōu)秀的潤滑性和耐磨性成為了固體潤滑劑最常使用的原材料之一。研究發(fā)現其潤滑作用與MoS2層間在切向力作用下易發(fā)生位移有關。

航天器在太空環(huán)境下，因為工況特殊（高溫、低溫、真空和重載）并且一些摩擦副無法連續(xù)供給潤滑油脂，所以采用固體潤滑劑。空間滾動軸承作為旋轉機構的關鍵零部件在航天器中大量使用，這些軸承的使用壽命直接影響到航天器的服役時間和工作性能。航天器在執(zhí)行衛(wèi)星天線的展開和空間相機的對地掃描等任務過程中，旋轉機構需要在一定角度內往復運動，此時的軸承不是做常規(guī)的旋轉運動，而是進行小角度、高頻率的擺動，迫使接觸局部的潤滑薄膜磨損加劇，極大地考驗軸承的潤滑性能。當MoS2 薄膜完全磨損時軸承判斷為潤滑失效，此時航天器的穩(wěn)定性、安全性和可靠性將受到很大的威脅。

因此，對往復擺動狀態(tài)下MoS2 潤滑薄膜的摩擦特性和磨損狀態(tài)進行研究，對探究空間滾動軸承的失效機理和提高航天器的服役時間有十分重要的意義。張仁輝等[2]通過液相冰浴超聲剝離法制備了MoS2 納米片。摩擦磨損實驗表明，MoS2納米片在高速高載下能有效降低摩擦系數，具有一定抗磨損能力。趙云平等[3]對MoS2 固體潤滑的滾軸軸承進行了真空擺動實驗，實驗表明小角度的往復擺動中MoS2 難以形成有效的轉移潤滑膜，擺動角度和頻率與薄膜磨損、軸承運轉壽命有直接關系。這些研究探討了MoS2的摩擦磨損性能，但缺少對潤滑過程中薄膜的磨損變化的探究，而且制備和實驗過程繁瑣，需要消耗大量的時間，對檢測設備精度要求也非常高。邵宇飛等[4]通過分子動力學模擬研究了孿晶界對MoS2 拉伸行為的影響，結果表明孿晶界能減少MoS2的斷裂應變，但該研究不是在太空環(huán)境中軸承的潤滑摩擦條件下進行的。

目前對空間滾動軸承失效機理的研究相對較少，僅有少數實驗研究，缺少理論支撐。又因為空間滾動軸承失效對振動信號的改變微弱難以甄別，導致傳統(tǒng)故障診斷方式在空間滾動軸承中難以應用。通過實驗的方式難以在微觀尺度下對空間滾動軸承薄膜的變化過程進行探究，而分子動力學是一個很好的工具。因此，提出了在微觀尺度下針對MoS2 摩擦界面進行模擬分析的方法。從原子尺度摩擦[5]入手探究MoS2 薄膜往復摩擦過程，利用分子動力學對MoS2 薄膜摩擦磨損過程進行模擬，通過分析摩擦系數和磨損程度判斷潤滑薄膜的失效行為，探究載荷與環(huán)境溫度對單層MoS2薄膜摩擦效果的影響。