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摘要

固体镀膜润滑凭借无挥发损失、极端环境适应性强的优势，成为在轨空间机构产品的关键润滑方式。本文针对空间真空、极端温差、高能辐射等特殊环境，分析固体镀膜润滑的技术适配性，阐述二硫化钼（MoS₂）、类金刚石碳（DLC）、软金属等典型固体镀膜的制备工艺、润滑机理与性能特性，结合国内外航天产品的实例验证应用效果，对比不同固体镀膜的适用场景与优劣，最后展望自修复镀膜、纳米复合镀膜等前沿技术发展趋势，为空间机构产品润滑系统设计提供参考。

关键词：固体镀膜润滑；空间机构；

一、引言

随着深空探测与长期在轨任务的推进，空间机构的可靠性要求持续提升。相关数据显示，超过40%的在轨机构故障源于润滑失效，传统液体润滑在真空环境下易蒸发流失，难以满足长寿命任务需求。固体镀膜润滑通过在摩擦部件表面制备致密润滑膜，规避液体润滑剂的迁移与挥发问题，可在-180℃~350℃极端温差、10⁻¹⁰Pa高真空及强辐射环境下稳定工作，成为空间机构润滑的核心技术方案。因此，系统研究固体镀膜润滑的技术特性与工程应用，对提升空间机构在轨寿命具有重要意义。

国际航天领域已形成成熟的固体镀膜润滑技术体系：NASA重点研发MoS₂溅射镀膜与DLC复合镀膜，应用于火星探测器关节、深空卫星轴承等部件[1]；欧洲空间局（ESA）聚焦软金属镀膜的制备工艺优化，提升其高温耐磨性；中国在载人航天工程中突破国产化固体镀膜技术，实现MoS₂、DLC镀膜在天宫空间站等核心部件的规模化应用。现有研究集中于镀膜材料改性、制备工艺优化等方向，虽取得显著进展，但在强原子氧侵蚀、超长期在轨（15年以上）等场景下的性能仍有待突破。

本文首先分析空间机构工作环境对固体镀膜润滑的技术要求，阐述各类典型固体镀膜的制备工艺、润滑机理与性能参数，结合国内外工程实例验证技术应用效果，最后对比不同镀膜方案的优劣并展望发展趋势。

二、工作环境与润滑技术要求

（一） 典型工作环境

在轨空间机构的工作环境恶劣，主要包括高真空环境、极端温差环境、高能辐射与原子氧环境。低地球轨道真空度可达10⁻⁷Pa，深空探测任务中真空度低于10⁻¹⁰Pa；航天器向阳面与背阳面温差可达300℃以上，例如月球探测器需承受-190℃~120℃的温度波动；太阳质子和伽马射线等高能辐射会破坏分子物理结构，低地球轨道的原子氧具有强氧化性、易侵蚀表面。

（二） 核心技术要求

根据空间环境及在轨使用的特点，需要固体镀膜润滑产品具备极端环境稳定性、高附着力与耐磨性等要求。

镀膜需在-180℃~350℃温度范围内，保持摩擦系数稳定（0.1~0.3），抗辐射剂量不低于100krad，能抵御原子氧侵；镀膜与基体材料（轴承钢、钛合金等）的附着力需达到50N以上，在轨运行期间磨损率低于1×10⁻⁹mm³/mm，满足8~15年的寿命需求；镀膜材料不得与镀膜基体材料或其他机构部件发生化学反应，无有毒物质析出，避免污染航天器光学传感器与精密电子设备[2]；镀膜制备工艺需满足空间机构部件的微型化、复杂化要求，镀膜厚度均匀可控（通常2~5μm），不影响部件的装配精度与运动灵活性[3]。

三、典型产品的制备工艺与性能

（一）二硫化钼（MoS₂）镀膜

MoS₂是应用最广泛的空间固体镀膜材料，具有层状晶体结构，层间结合力弱，摩擦过程中易发生剪切滑移，从而实现低摩擦润滑[4]。MoS₂镀膜制备的主流工艺为物理气相沉积（PVD）中的溅射法，将MoS₂靶材置于真空腔体内，通过高能粒子轰击靶材，使MoS₂原子沉积在部件表面形成致密镀膜。该工艺可精准控制镀膜厚度（2~5μm），膜层均匀性好，与基体附着力强。此外，还可采用喷涂法制备MoS₂镀膜，工艺成本较低，但膜层致密度与附着力略逊于溅射法[5]。

MoS₂镀膜在真空下摩擦系数低至0.05~0.1，使用温度为-180℃~350℃，但在有氧环境下易氧化生成MoO₃，导致摩擦系数急剧升高。MoS₂镀膜适用于高真空、低氧的深空探测场景。

（二）类金刚石碳（DLC）镀膜

DLC镀膜是由sp²杂化石墨碳与sp³杂化金刚石碳组成的非晶态薄膜，兼具金刚石的高硬度与石墨的低摩擦特性。DLC镀膜主要采用化学气相沉积（CVD）与物理气相沉积（PVD）工艺。CVD工艺通过碳氢化合物气体的分解与沉积制备DLC镀膜，膜层致密度高，PVD工艺中的离子束沉积法则可制备掺杂金属元素（如钨、钛）的DLC复合镀膜，提升膜层韧性。空间机构产品常采用等离子体增强化学气相沉积（PECVD）工艺，可在低温下制备镀膜，避免热变形。

DLC镀膜硬度可达15~25GPa，摩擦系数为0.1~0.2，具有优异的抗原子氧侵蚀、抗辐射性能，使用温度范围为-200℃~400℃。DLC镀膜在低地球轨道的空间机构产品中应用广泛。

（三）软金属镀膜

软金属镀膜以铅、银、锡等低熔点金属为原料，通过摩擦热诱导金属原子迁移形成润滑膜。软金属镀膜一般采用真空蒸镀或离子镀工艺，将软金属加热至熔融状态，使其原子在真空环境中沉积到部件表面，形成厚度为1~3μm的薄膜。部分场景下可采用电镀工艺，成本较低，但膜层纯度与均匀性较差。

软金属镀膜摩擦系数为0.2~0.3，高于MoS₂与DLC镀膜，但承载能力强，可承受1000N以上的载荷，使用寿命显著长于传统层状固体润滑剂。适用于高载荷、低转速的空间机构产品。

（四）复合固体镀膜

复合固体镀膜通过多层结构设计或材料掺入，结合不同镀膜的优势，可有效提升综合润滑性能。典型的复合固体镀膜有以下两种：一是MoS₂/DLC双层镀膜，底层DLC镀膜提供高附着力与抗氧化性，顶层MoS₂镀膜实现低摩擦；二是软金属掺杂DLC镀膜，在DLC膜层中掺入银原子，利用银的润滑作用降低摩擦系数，同时保持DLC镀膜的耐磨性。

复合固体镀膜的摩擦系数可低至0.08~0.15，兼具低摩擦、高耐磨、抗氧化的优势，使用温度范围拓宽至-200℃~450℃。复合固体镀膜综合性能优异、空间环境适应性强，但制备工艺复杂、成本高，膜层结构的设计需精准匹配需求。

四、应用实例

国内外航天产品广泛采用固体镀膜润滑方案，根据不同使用工况分别选用了MoS₂镀膜、DLC复合镀膜等方式。

火星漫游者号探测器的关节轴承采用了溅射法制备的MoS₂镀膜，其厚度为3μm，配合全氟聚醚（PFPE）润滑脂形成复合润滑体系。在火星表面-150℃~20℃的极端温差与高真空环境下，该镀膜确保关节连续工作8年以上，累计运动时间超1000小时，磨损率低于5×10⁻¹⁰mm³/mm。

深空一号探测器离子推进器轴承采用银软金属镀膜，通过真空蒸镀工艺制备，膜层厚度2μm。该镀膜在高载荷（500N）、低转速（50rpm）工况下稳定运行，使轴承寿命延长至原定设计的3倍，圆满完成深空探测任务。

我国的天宫空间站机械臂关节轴承采用国产化DLC复合镀膜，通过PECVD工艺制备，膜层厚度4μm，掺杂微量钛元素提升附着力。该镀膜可在-120℃~100℃温度范围内，摩擦系数稳定在0.1~0.12，可抵御低地球轨道原子氧侵蚀，累计转动次数超10万次无明显磨损，满足空间站15年以上的在轨寿命要求。此外，空间站太阳能帆板展开机构铰链采用MoS₂/DLC双层镀膜，底层DLC镀膜抗氧化，顶层MoS₂镀膜降摩擦，可实现无维护运行，展开次数超100次无故障[6]。

五、对比与选用原则

通过上述分析，总结各类固体镀膜润滑的特点及适用场景，如下表所示：

表1 各类固体镀膜润滑对比分析

实际使用时，可以通过以下原则选择不同的镀膜方式：（1）环境适配原则：深空高真空、低氧环境优先选择MoS₂镀膜；低地球轨道等原子氧浓度高的环境优先选择DLC镀膜或复合镀膜；强辐射环境推荐掺杂金属的DLC复合镀膜。（2）工况匹配原则：高转速（>1000rpm）、中低载荷机构优先选择MoS₂镀膜或复合镀膜；高载荷（>500N）、低转速（<500rpm）机构优先选择软金属镀膜；复杂工况核心部件优先选择复合镀膜。（3）寿命与成本平衡原则：短期任务（<5年）可采用MoS₂或软金属镀膜；长期任务（>10年）或核心机构优先采用DLC镀膜或复合镀膜。

六、发展趋势与展望

固体镀膜润滑后续技术改进主要体现在新型镀膜材料的研发、制备工艺的优化等方面。

（一） 新型镀膜材料研发

新型材料包括自修复固体镀膜、纳米复合镀膜等。研发微胶囊型自修复镀膜，在膜层中嵌入含润滑剂的微胶囊，当镀膜受损时微胶囊破裂释放润滑剂，实现自主修复。实验室研究表明，该镀膜可使润滑寿命延长2倍以上；纳米复合镀膜是将石墨烯、碳纳米管等纳米材料掺入MoS₂或DLC镀膜中，提升膜层硬度与耐磨性。

（二） 制备工艺优化

制备工艺优化包括低温制备工艺、绿色制备技术、规模化制备技术等方面。低温制备工艺是指通过优化PECVD、离子束沉积等工艺参数，实现低温（<100℃）镀膜制备，避免热变形；绿色制备技术是通过采用无溶剂、低能耗的镀膜工艺，减少生产过程中的环境污染，降低航天润滑技术的全生命周期成本；规模化制备技术主要是突破大尺寸、复杂形状部件的镀膜均匀性控制技术，提高生产效率，满足日益增长的镀膜产品批量配套需求。

七、结论

固体镀膜润滑凭借其独特的环境适应性，成为空间机构核心润滑技术。国内外应用实例表明，合理选择固体镀膜类型与制备工艺，可显著提升空间机构的在轨可靠性与寿命。未来，固体镀膜润滑技术将向自修复、纳米复合等方向推进，为新一代深空探测与长期在轨任务提供可靠支撑。

参考文献

[1] Marchetti M, Jones W R, Pepper S V, et al. In-Situ, On-demand Lubrication System for Space Mechanisms[R]. NASA Technical Memorandum, 2002.

[2] 卿涛, 周宁宁, 周刚, 等. 空间摩擦学在卫星活动部件轴系的应用研究现状及发展[J]. 润滑与密封, 2015, 40(02): 145-150.

[3] 豆照良, 宋安佳, 周刚, 等. 微量供油条件下润滑油液滴的生长与脱附[J]. 润滑与密封, 2023, 48(02): 89-94.

[4] Roberts E W. Space tribology: its role in spacecraft mechanisms[J]. Journal of Physics D: Applied Physics, 2012, 45(50): 503001.

[5] European Space Tribology Laboratory. An Evaluation of Liquid, Solid, and Grease Lubricants for Space Mechanisms Using a Spiral Orbit Tribometer[R]. ESA Technical Report, 2010.

[6] 洛阳众悦精密轴承有限公司. 航天轴承:航空航天工业的关键基础部件[EB/OL]. 2025-12-22. 

徐荣  陈伟堤 

上海宇航系统工程研究所