【摘 要】
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随着航空航天的发展,空间摩擦学引起了研究者们的广泛的兴趣。卫星以及空间站所处的外太空环境具有强辐照、低温、微重力和真空的特点。在真空环境下,由于解吸附作用,相互作用的物体表面往往无法通过形成氧化层或污染层来降低摩擦,因此导致较高的摩擦系数,真空环境下由于缺乏空气,对流基本上失去作用,摩擦热也无法通过气体对流带走,导致摩擦界面温度急剧升高易发生黏着,甚至出现冷焊现象,这就要求服役于真空环境下的材料具
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随着航空航天的发展,空间摩擦学引起了研究者们的广泛的兴趣。卫星以及空间站所处的外太空环境具有强辐照、低温、微重力和真空的特点。在真空环境下,由于解吸附作用,相互作用的物体表面往往无法通过形成氧化层或污染层来降低摩擦,因此导致较高的摩擦系数,真空环境下由于缺乏空气,对流基本上失去作用,摩擦热也无法通过气体对流带走,导致摩擦界面温度急剧升高易发生黏着,甚至出现冷焊现象,这就要求服役于真空环境下的材料具有优异的摩擦学性能。常见的空间固体润滑材料有层状结构物、软金属、聚合物、无机化合物和自润滑材料。类金刚石碳（DLC）和二硫化钼（MoS2）等固体润滑薄膜在真空条件和大气条件下表现出优异的摩擦学性能,如超低摩擦系数和低磨损率。但硬度低、热稳定性差、对服役环境敏感等限制了其应用。氮化钛（TiN）薄膜具有硬度高、耐磨损以及良好的生物相容性等性能被广泛应用于刀具涂层、模具涂层、生物医学等领域。因此首先利用多弧离子镀技术制备了TiN薄膜,系统的研究了施加载荷、滑动速度和摩擦副的材料对TiN薄膜在真空环境下的摩擦学行为的影响。最后得出了TiN薄膜摩擦学行为与影响因素在真空环境中内在联系并得出摩擦机理。主要的研究内容和结论如下:（1）利用多弧离子镀制备了TiN薄膜,制备的薄膜表面致密无明显缺陷,并且具有（111）面的择优取向;TiN薄膜具有优异的膜基结合强度和优异的力学性能,薄膜的硬度和弹性模量分别为28.2 GPa和467.6 GPa。（2）分别研究了在大气环境、高真空环境和低真空环境下,TiN薄膜与GCr15钢球摩擦副的摩擦学行为。TiN薄膜在大气环境下的摩擦系数约为0.56,在高真空条件下薄膜的摩擦系数大约为0.3,TiN薄膜的最低的摩擦系数（0.19）出现在低真空实验条件下。在上述的摩擦实验过程中,TiN薄膜具有优异的耐磨性。（3）分别研究了在大气环境、高真空环境和低真空环境下,TiN薄膜与Al2O3和ZrO2陶瓷球摩擦副的摩擦学行为。TiN薄膜与Al2O3陶瓷球和ZrO2陶瓷球在不同真空度摩擦系数变化可以分为三个阶段,当真空分压为高真空时(1×10-5 mbar),薄膜的摩擦系数较高（0.5）;当真空分压为低真空(1×10-2 mbar～1×10-2 mbar)时,薄膜的摩擦系数达到了最低的摩擦系数（0.19）,在低真空阶段,薄膜的摩擦系数随着真空分压的增加呈现出轻微增加的趋势;当真空分压接近大气条件下,薄膜的摩擦系数增加到0.9以上。（4）TiN薄膜与陶瓷球摩擦副在不同真空环境下摩擦学行为分为三个阶段:第一个阶段为高真空条件下,几乎没有活性气体或水蒸气,TiN薄膜和陶瓷球直接接触,摩擦系数主要是由机械磨损贡献的,造成了较大的摩擦系数;第二个阶段就是低真空阶段,TiN薄膜滑动界面上的吸附质控制着薄膜的低摩擦系数;并且陶瓷球磨斑表面形成的转移膜可以大大降低薄膜的摩擦系数;第三个阶段为大气条件下,大量的活性气体以及水蒸气存在的情况下,摩擦化学反应和机械磨损是很复杂的,造成摩擦界面上严重的黏着和磨损。所以说大气条件下的薄膜的摩擦系数由两部分构成,分别是氮气和氧气对薄膜的摩擦系数和水蒸气对薄膜的摩擦系数作用。
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