一种应用于航天器机构上的转动关节销子及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种应用于航天器机构上的转动关节销子及其制备方法，所述转动关节销子包括销子本体，所述销子本体表面附着有固体润滑薄膜，所述固体润滑薄膜由内到外包括过渡层和面层；所述固体润滑薄膜的部分区域还包括位于面层外侧的石墨烯层；所述过渡层为Ti金属层；所述面层为Ti、Pb和MoS2组成的复合物层；所述固体润滑薄膜被石墨烯层覆盖的面积大于90％。本发明专利技术转动关节销子，其能够通过转动关节销子本体表面的固体润滑薄膜，能够降低滑动摩擦力，提高运动精度；能够减缓MoS2的氧化，可适应温度交变的较宽温域；在石墨烯经摩擦磨损产生细小磨粒后，摩擦形式由滑动摩擦转变为转动摩擦，更加有益于润滑。更加有益于润滑。更加有益于润滑。

【技术实现步骤摘要】
一种应用于航天器机构上的转动关节销子及其制备方法


[0001]本专利技术是关于材料表面工程
，特别是关于一种应用于航天器机构上的转动关节销子及其制备方法。

技术介绍

[0002]随着航空航天领域的发展，天空作业的航天器，需要具有长久的续航能力和高机动飞行能力，减少摩擦的能量消耗，需要更低摩擦的摩擦系数。转动关节的加工工艺简单，使用方便，可靠性高，在航天器结构上应用最广。常规转动关节U形接头和销子、销子和柄舌之间都是间隙配合，由于关节间隙的存在，在拉
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压力的循环作用下，转动关节表现出包括空行程、滞后性等非线性的力
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位移特点，不仅给航天器机构的运动带来了许多不确定性，而且使机构的运动精度降低。
[0003]由于航天器在太阳的辐射区和地球的阴影区间交替运行，使得航天器的结构和机构将产生长期温度交变的温度场，变化区间可达100℃或更大，影响材料寿命。
[0004]MoS2是具有金属光泽的黑色固体粉末，具有优异的机械性能和摩擦学性能，是辉钼矿的主要成分。MoS2作为过渡金属硫化物，很早已被探索了其涂层的超低摩擦系数的原子起源，是重要的固体润滑剂，被广泛应用于航空航天、石油化工、机械等领域。MoS2是典型的层状结构，层与层之间的距离为1.23nm。在单元层内每个钼原子与两个硫原子之间以强的共价键相连接，键长0.24nm，层与层之间通过弱的范德华力连接，剪切强度低。平面内的强粘结和平面外的弱粘结特性，使MoS2表现出优异的超润滑性能。但是，MoS2温度适应能力不强，在315℃空气中加热时开始氧化，随着温度的升高氧化反应加快，氧化为MoO3失去润滑效果。因此，解决航天器机构上的转动关节销子在高温条件下的润滑问题非常的重要。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供一种应用于航天器机构上的转动关节销子，其能够通过转动关节销子本体表面的固体润滑薄膜，并配合密封圈的表面处理，降低滑动摩擦力，使其在微小间隙下依旧转动灵活，提高运动精度；并且Ti和Pb能够减缓MoS2的氧化，可适应温度交变的较宽温域；在石墨烯经摩擦磨损产生细小磨粒后，密封圈能够阻止磨粒溢出，摩擦形式由滑动摩擦转变为转动摩擦，更加有益于润滑。
[0006]为实现上述目的，本专利技术提供了一种应用于航天器机构上的转动关节销子，所述转动关节销子包括销子本体，所述销子本体表面附着有固体润滑薄膜，所述固体润滑薄膜由内到外包括过渡层和面层，过渡层与销子本体结合；所述固体润滑薄膜的部分区域还包括位于面层外侧的石墨烯层，石墨烯层附着在最外层，但是对于转动关节销子端部的凹槽内的最外层不包括石墨烯层；
[0007]所述过渡层为Ti金属层；所述面层为Ti、Pb和MoS2组成的复合物层；所述固体润滑薄膜被石墨烯层覆盖的面积大于90％。面层的成分包括：Mo:35～40at％；S:25～30at％；Ti:1～5at％；Pb:25～35at％；其中at％表示原子个数百分率。固体润滑薄膜结构包括在销
子本体表面的由Ti组成的过渡层，过渡层之上为Ti/Pb
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MoS2复合物层，复合物层之上为石墨烯层。
[0008]在本专利技术的一实施方式中，所述转动关节销子两端的圆周上设有垂直于径向的凹槽，所述凹槽内设有与凹槽密封配合的密封圈，所述密封圈在与凹槽的非接触表面附着有石墨烯层。
[0009]进一步优选的，所述凹槽在与密封圈的接触面上不附着石墨烯层；所述接触面上的固体润滑薄膜由内到外包括过渡层和面层。
[0010]在本专利技术的一实施方式中，面层厚度为1～2μm；所述固体润滑薄膜的表面硬度为7.5～8.0GPa，表征表面粗糙度的表面算数平均高度Sa值为0.005～0.007μm；在25～400℃下，摩擦系数为0.02～0.06。这表明本专利技术的固体润滑薄膜具有极高的硬度和平整度，并且在较宽的温度范围内及400℃的高温下，仍然具有极低的摩擦系数，能够满足空天设备的使用要求。
[0011]在本专利技术的一实施方式中，所述过渡层由Ti靶材对转动关节销子进行溅射制得；所述复合物层由MoS2、Ti和Pb三个靶材对转动关节销子进行三靶共同溅射制得；所述石墨烯层是由多层石墨烯粉末和乙醇的混合溶液浸润转动关节销子后，再将酒精挥发后制得。通过溅射的操作，既能够确保材料分布均匀，又能够确保固体润滑薄膜的平整度，提高薄膜的整体强度。
[0012]为了实现对固体润滑薄膜的制备，本专利技术同时提供了一种应用于航天器机构上的转动关节销子的制备方法，所述制备方法包括：
[0013]设备安装：在溅射镀膜设备上安装弧形靶材、弧形阴极座和永磁钢，将固定转动关节销子的可转动夹具放置于溅射镀膜设备的真空腔内；弧形靶材、弧形阴极座和永磁钢均为凹型曲面，所述凹型曲面的曲率与转动关节销子的曲率相同，弧形靶材半径与转动关节销子的半径相等，这样能够确保溅射作业中金属镀层的均匀分布和结构强度。溅射镀膜设备的弧形阴极座的中间为弧形磁钢槽，弧形磁钢槽内呈弧形排列着若干个永磁钢；永磁钢之上设置有弧形铜隔板，弧形铜隔板与弧形磁钢槽之间设置有水冷通道，弧形铜隔板之上安装弧形靶材。
[0014]销子加工：使用车床在转动关节销子的两端加工出用于放置密封圈的凹槽。
[0015]表面处理：对转动关节销子的表面进行磨削和抛光处理，再依次用丙酮和酒精进行两次超声清洗，干燥后固定在夹具上。
[0016]蚀刻处理：对转动关节销子表面进行轰击蚀刻处理，蚀刻期间夹具带动转动关节销子转动；本步骤中采用Ti靶材对转动关节销子进行轰击蚀刻处理，蚀刻处理的偏压为450～500V，Ti靶电流为0.1～0.3A，氩气流量为15～20sccm；轰击蚀刻处理时间为10～20min，夹具转动的转速为0.4
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0.8转每秒。
[0017]过渡层溅射：使用Ti靶材对转动关节销子进行溅射，得到Ti过渡层；溅射期间夹具带动转动关节销子转动；本步骤中，溅射处理的偏压为80～100V；Ti靶材电流为2.5～3.5A，氩气流量为15～18sccm；溅射时间为10～15min，夹具转动的转速为0.35
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0.75转每秒。
[0018]面层溅射：使用MoS2、Ti和Pb三个靶材对转动关节销子进行三靶共同溅射制得复合物层；溅射期间夹具带动转动关节销子转动；本步骤中，溅射处理的偏压为40～60V，MoS2靶材电流为0.7～0.9A，Ti靶材电流为0.1～0.3A，Pb靶材电流为0.1～0.3A，氩气流量为15
～18sccm；溅射时间为120～130min，夹具转动的转速为0.38
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0.70转每秒。
[0019]石墨烯层制备：将多层石墨烯粉末和乙醇混合制得石墨烯酒精溶液，将销子凹槽用密封材料覆盖后，将转动关节销子浸入石墨烯酒精溶液，浸入石墨烯酒精溶液的时间为3～5s；再将转动关节销子取出后去除密封材料，静置待酒精挥发后密封保存；本步骤中多层石墨烯粉末的厚度为3～8nm，片层直径为10～50μm，石墨烯层数为6～本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种应用于航天器机构上的转动关节销子，所述转动关节销子包括销子本体，其特征在于，所述销子本体表面附着有固体润滑薄膜，所述固体润滑薄膜由内到外包括过渡层和面层；所述固体润滑薄膜的部分区域还包括位于面层外侧的石墨烯层；所述过渡层为Ti金属层；所述面层为Ti、Pb和MoS2组成的复合物层；所述固体润滑薄膜被石墨烯层覆盖的面积大于90％。2.如权利要求1所述的应用于航天器机构上的转动关节销子，其特征在于，所述转动关节销子两端的圆周上设有垂直于径向的凹槽，所述凹槽内设有与凹槽密封配合的密封圈，所述密封圈在与凹槽的非接触表面附着有石墨烯层。3.如权利要求2所述的应用于航天器机构上的转动关节销子，其特征在于，所述凹槽在与密封圈的接触面上不附着石墨烯层；所述接触面上的固体润滑薄膜由内到外包括过渡层和面层。4.如权利要求1所述的应用于航天器机构上的转动关节销子，其特征在于，面层厚度为1～2μm；所述固体润滑薄膜的表面硬度为7.5～8.0GPa，表征表面粗糙度的表面算数平均高度Sa值为0.005～0.007μm；在25～400℃下，摩擦系数为0.02～0.06。5.如权利要求1所述的应用于航天器机构上的转动关节销子，其特征在于，所述过渡层由Ti靶材对转动关节销子进行溅射制得；所述复合物层由MoS2、Ti和Pb三个靶材对转动关节销子进行三靶共同溅射制得；所述石墨烯层是由多层石墨烯粉末和乙醇的混合溶液浸润转动关节销子后，再将酒精挥发后制得。6.一种制备如权利要求1
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5任一所述的应用于航天器机构上的转动关节销子的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：设备安装：在溅射镀膜设备上安装弧形靶材、弧形阴极座和永磁钢，将固定转动关节销子的可转动夹具放置于溅射镀膜设备的真空腔内；销子加工：在转动关节销子的两端加工出用于放置密封圈的凹槽；表面处理：对转动关节销子的表面进行磨削和抛光处理，再依次用丙酮和酒精进行超声清洗，干燥后固定在夹具上；蚀刻处理：对转动关节销子表面进行轰击蚀刻处理，蚀刻期间夹具带动转动关节销子转动；过渡层溅射：使用Ti靶材对转动关节销子进行溅射，得到Ti过渡层；溅射期间夹具带动转动关节销子转动；面层溅射：使用MoS2、Ti和Pb三个靶材对转动关节销子进行三靶共同溅射制得复合物层；溅射期间夹具带动转动关节销子转动；石墨烯层制备：将多层石墨烯...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱丽娜，刘梅，康嘉杰，岳文，佘丁顺，田斌，付志强，孟德忠，王成彪，
申请(专利权)人：中国地质大学北京郑州研究院，
类型：发明
国别省市：