第1章 绪 论
1.1 课题背景及研究的目的和意义
本课题研究的直接背景是探月三期钻取采样子系统，其中部分摩擦副工作在重载工况下，界面应力已超出目前空间机械常用应力范围，无直接经验可供借鉴；固体润滑或固体薄膜与润滑脂的复合润滑模式在重载下的润滑设计也缺乏可靠的依据或准则。相应课题来源于探月三期项目“钻取采样子系统摩擦学设计与验证”、国家自然科学基金(51475452)——空间回转-冲击往复密珠轴系运动耦合效应及摩擦行为研究、国家自然科学基金(51275125)高性能合成润滑材料设计制备与使役的基础研究。不同应用目的、使用领域和不同种类的固体薄膜，其工作性能常常受到膜层与基底之间的机械力学能力制约。本文主要涉及高副接触中常用的厚度一微米左右的固体薄膜层（常为微结构尺度或晶粒尺度，非原子级尺度的膜层）或是稍厚的不同弹性属性膜层，可使材料受载时的内部应力状态与单一基底块体材料有所区别。在单纯机械力学作用下该类薄膜的膜基系统失效包括：弹塑性范围的材料内部应力和变形，断裂问题中的内部键合失效、开裂和膜层界面脱粘剥落等。准确分析薄膜材料内部和膜基界面的应力、应变，对实际机械的润滑设计具有重大意义。重载作用下相对运动的摩擦副接触状态分析是十分复杂的摩擦学问题，当其表面沉积有固体润滑薄膜时多材料受力匹配关系分解极其困难。目前材料力学领域由理论和试验已经定义并考察了固体薄膜或基底等众多材料的弹性属性，用作力学分析的重要参数。当固体薄膜与基底材料相互结合后，其承载能力、界面结合强度及其润滑失效机理，由于影响因素复杂，主要依赖于试验评价。事实上，测试结论有其“人”、“机”、“料”、“法”、“环”方面的相对局限性，但不同测试结果的相互比较则有较大价值。由于固体薄膜使用的工况环境和接触问题本身的复杂性，研究人员对于摩擦、磨损和润滑现象与机理的认知仍然有限，在设计及应用固体薄膜时多依赖于经验法或试凑法。即对于机械零部件固体薄膜润滑设计，由于与普通机械设计存在差异，设计初期往往提出众多结构与润滑预选方案。如何优选最佳方案又不必构建完整测试样机，则是缩短设计周期，节约设计成本，获得微型化、轻量化和高可靠性构件的关键。所以，建立针对系统工况的跨宏观几何结构尺寸和微观接触表界面的固体薄膜摩擦学分析、评价与设计方法，进行论证、优选机械零部件的结构及润滑特性，对于提高苛刻环境和极端工况条件下服役的机械元件设计水平具有重要的理论意义和工程实用价值。
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1.2 固体薄膜润滑研究现状及分析
从三维空间角度通常把一个方向比另外两个方向尺寸小很多的材料层定义为薄膜。以薄膜形式将一种材料涂覆在其他材料上的目的为缩小元器件尺寸，提高理化和/或摩擦学功能性，使用少量昂贵材料作表面功能膜层来降低制造成本等。近年来随着薄膜材料技术的发展其应用越来越广泛，比如微电子集成电路、信息磁存储系统、光学薄膜、抗磨损薄膜、抗腐蚀薄膜等[1]。工程上常用的固体润滑薄膜主要有硬脆性和层状结构薄膜[2, 3]。其中层状结构的固体薄膜使用较早，也是目前空间领域广泛应用的固体润滑材料。如二硫化 钼 （ Molybdenum Disulfide ， MoS2）、 石墨 （ Graphite ）、四氟乙烯（Polytetrafluoroethylene，PTFE）等。层状固体薄膜的自润滑能力来源于其易于延展的可塑性能力和层状结构，即单层材料内部和层间的化合键结合强度不同。平行于运动方向的层间剪切滑移使其具有独特的减摩作用，同时六边形晶体结构可以承受垂直于层间界面的压缩载荷，其中 MoS2的承载能力高于石墨和聚四氟乙烯。近年研究针对材料的承载能力和耐磨损性能提出了硬质固体薄膜，以克服传统薄膜润滑材料易磨损的缺陷。比如类金刚石碳（Diamond-likeCarbon，DLC）固体薄膜，内部含有 sp2和 sp3键共混构型，晶体结构介于体心立方与六方晶系之间，故兼备高硬度和润滑性能，具有优异承载能力和耐磨损特性。未来有望与 MoS2类固体薄膜共同应用于空间领域，扩展机械系统的工作性能。随着装备水平的不断发展，应用在地面、空天与海洋中的大型飞机[4]、舰船[5]、航天器[6]，以及装备制造[7]和机电[8]领域等产品设备，其机械零部件均面临着特殊或极端工况环境[9, 10]的考验，摩擦副表面相对运动速度大（轴承滑动线速度极限 Dn 值高达 3.0×106mm·r/min），接触界面应力水平接近 2500 MPa。为了保证机械元件及其系统的整体稳定性与可靠性，达到工作寿命需求，应合理设计零部件结构尺寸，采用高性能润滑材料及润滑方法，对摩擦副和接触界面充分润滑，提高其工作承载能力[11]。通过固体薄膜润滑及其固-液、固-脂复合润滑方式等材料表面改性技术，可以减少机械元件内部摩擦磨损、降低能源消耗，缓解外部环境冲击，达到延长使用寿命的目的。
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第2章 膜基系统界面力学分析模型
2.1 引言
力学分析是机械零部件设计最重要的环节，决定了其承载能力和工作寿命，机械元件表面沉积固体润滑薄膜的设计，同样需要明确其界面力学状态。所以进行固体薄膜受载时膜基界面力学建模是材料内部应力与变形量化分析的基础，也是固体薄膜承载失效等摩擦学机理研究的前提条件。本研究采用理论解析解，与目前广泛使用的有限元数值解不同，不存在网格划分尺度效应，当考虑的问题为分子原子尺度时，只要弹性理论本构方程仍然适用，则问题仍然可解。目前仅当涉及量子尺度问题时，弹性理论显得不再适用，但本构方程（即使在考虑分子原子相互作用的分析中）的弹性应力应变关系仍然成立。本研究基于弹性力学本构方程，采用经典电磁学理论中的镜像法，等效转化膜基系统表面和界面边界条件，获得膜基系统内部应力和变形的解析解。
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2.2 膜基系统接触力学模型及界面应力影响分析
对于无明显屈服台阶和严格控制内部裂纹等级的构件力学分析，为了使其具有较大承载力和较高安全储备，一般按弹性理论[140]进行设计和计算。在固体薄膜-基底系统界面力学分析建模过程中，根据问题的对象建立双材料系统，如图 2-1 所示。在机械摩擦对偶件接触状态下，固体薄膜表面的力载作用产生材料的部分接触和变形，如图 2-1(a)中重合区域所示。在这些接触变形区域中，固体薄膜受到图 2-1(b)垂直于和平行于表面的力系作用。针对不同接触形式产生的膜基系统表面大小不同、分布形式不同的力系，可用膜基系统表面受基础单位力（单元法向力和单元切向力）作用的解，根据相应力系分布形式进行积分或叠加进行表达。由此，建立图 2-1(c)所示的单元坐标点力作用下膜基系统应力模型，作为描述不同接触运动形式、不同表面润滑状态下的界面力学分析模型的基础格林函数。如图 2-1 所示，材料组织不同于被结合母材的结合部称为界面层，界面层内的中间材料或粘接剂称为界面相，界面相材料可以由扩散或化学反应形成。由于界面层很薄，通常小于几个到几百纳米，材料组织分布复杂，从连续介质力学的角度定量评价界面相的力学性能是不可能的，故工程实际问题中要求评价结合材料整体的强度行为，而不是单一的界面相。
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第 3 章 基于应力势函数的三维赫兹接触界面力学求解..........38
3.1 引言 ............. 38
3.2 赫兹接触作用下势函数的表达 ......... 38
3.3 固体薄膜表面赫兹点接触的镜像法求解 ............ 40
3.4 本章小结...... 57
第 4 章 层状 MOS2膜重载润滑失效测试与界面应力分析 ......58
4.1 引言 ............. 58
4.2 MOS2薄膜机械物理性能 .........58
4.3 MOS2薄膜润滑能力测试 .........59
4.3.1 MoS2薄膜球-盘摩擦磨损试验 ........59
4.3.2 MoS2薄膜纳米划痕试验 ........63
4.4 MOS2薄膜失效的界面力学分析 .......65
4.5 本章小结...... 76
第 5 章 硬脆 DLC 薄膜重载失效测试与界面应力分析............77
5.1 引言 ............. 77
5.2 DLC 薄膜制备及机械物理性能 ........ 77
5.3 DLC 薄膜承载能力测试 .......... 78
5.4 DLC 薄膜失效的界面力学分析 ........ 84
5.5 本章小结...... 91
第6章 重载密珠轴系固体润滑力学分析与性能试验
6.1 引言
钻取采样机构为实现外太空星球表层土壤样本无人自动钻探而设计，其中密珠轴系为钻杆核心支撑与传动部件。其内部滚动体与滚道接触区采用固体薄膜润滑以适应重载工况环境。故表面固体薄膜-轴承钢基底体系润滑设计是确保其工作能力与运行寿命的关键。根据密珠轴系内部滚动花键、密珠轴承接触力载分析，采用膜基系统界面力学模型，根据 MoS2与 DLC 薄膜重载失效边界参数，校核密珠轴系固体薄膜润滑应力状态及其润滑方案，采用工况模拟试验平台考核相应固体润滑性能。
6.2 密珠轴系力载分析建模
6.2.1 密珠轴系基本结构模型
“探月工程钻取采样子系统”钻进机构回转直线往复运动耦合密珠轴系（以下简称密珠轴系）如图 6-1 所示。其中左右两端的密珠轴承支撑整个轴系，中间的滚动花键传递中心轴回转力矩，三个轴承内部滚动体布置采用线性结构，保证中心轴可以在圆周方向以一定速度 ω 旋转以及沿轴线方向以速度 v 直线运动。当轴系受到外部径向力载荷 Fr以及转矩 T 作用时，轴承内部间隙消除，滚动体与滚道产生接触变形，使中心轴相对轴承外圈发生相对位移，在径向外载和中心轴轴线组成的平面上产生附加弯矩 Mr，所以轴承内部间隙（由轴承尺寸设计、加工误差和环境温度影响）对接触载荷分布影响很大。轴系受载后，中心轴沿轴线方向各接触点位移 δ 不同（以下角标区分不同轴承不同接触位置处的套圈位移，后相同），处于轴承滚道不同位置处的滚动体所受到的载荷 Q 不同，由于滚动花键工作原理与角接触球轴承类似，工作时不同位置的滚动体与沟道形成不同接触角 α。所以，只有通过接触分析，联合求解力载平衡与变形协调关系方程才能获得轴系内部的详细力载分布状态。
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结 论
本文以“探月工程”中密珠轴系表面固体薄膜润滑的摩擦学设计为背景，通过轴承钢表面界面力学建模，对空间常用二硫化钼（MoS2）和类金刚石碳（DLC）两类固体薄膜性能的试验测试和界面力学分析，以及密珠轴系固体润滑力学分析与试验验证等研究工作，获得了如下结论：
（1）根据机械元件内部摩擦副典型接触运动形式，采用复变理论的镜像法建立了固体薄膜表面受集中力与分布力作用时的二维和三维界面力学分析模型，获得了薄膜-基底体系表面不同载荷形式下的界面应力与变形解析解，并完成了算例分析和验证。
（2）利用横观各向同性应力势函数的解，克服了表面单元力三维积分困难，通过镜像法直接获得了膜基系统在球与平面赫兹点接触作用下的界面应力与变形解。同有限元法进行了对比验证，建立的界面力学解析模型具有相当的计算精度和更快的计算速度，且更好的适应性于不同工况参数的输入。
（3）使用了球-盘配副和纳米/微米划痕等摩擦学测试，通过试验数据结合膜-基系统界面力学模型分析了层状 MoS2和硬脆DLC两类固体薄膜随工况载荷变化的界面应力响应规律、承载能力及磨损失效特征：MoS2膜界面剪切应力分量 τxz为 259 MPa 时层间发生滑移磨损，接触边沿薄膜片状撕裂剥落；DLC 膜滑动后沿处界面横向应力 σx达到 1280 MPa 临界水平时产生沿膜厚方向扩展的拉伸裂纹。
（4）建立了密珠轴系内部力载分析模型，并进行了 MoS2和 DLC 两种固体薄膜润滑方案的界面力学分析校核，采用台架测试考核验证了密珠轴系的承载寿命指标。
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参考文献（略）