[发明专利]航天火工分离用MoS2

说明书

本发明涉及一种航天火工分离用MoS₂/GIC多层复合固体润滑涂层及其制备方法，该涂层包括设置在基片上的金属打底层和设置在金属打底层上的多层交替层或者梯度过渡层，其中多层交替涂层从打底层向上依次由GIC层和MoS₂层交替组成，梯度过渡涂层从打底层向上依次由GIC层，过渡层以及MoS₂层组成，多层复合涂层的表面均为MoS₂层。与现有技术相比，本发明结合MoS₂优异的摩擦性能和GIC耐磨损，承载能力高，抗氧化性能，并通过适量的金属掺杂进一步提升涂层不同环境下的摩擦磨损性能以及机械性能，抑制柱状晶的生长，分散涂层内应力，从而满足航天火工分离用固体润滑涂层的要求。

技术领域

本发明属于表面固体润滑涂层技术领域，具体涉及一种航天火工分离用 MoS₂/GIC多层复合固体润滑涂层及制备方法。

背景技术

作为航天器的核心技术之一，火工分离是利用燃烧或爆炸产生的巨大能量来完成航天器的级间分离，卫星释放以及舱体弹射等关键动作，关系到航天任务的完成以及人员安全问题，并且在一次航天任务中，火工分离装置就多达数百件。在分离过程中，活塞与壳体之间的摩擦磨损导致机械部件结构受损，能量损失，从而造成分离时间和分离力偏离预定值，以致任务失败，因此活塞与壳体之间的润滑至关重要。传统的油脂润滑工作范围十分有限，在高低温，高载荷，高真空，强辐射条件下会发生变质失效，因此无法满足苛刻条件下的润滑要求；而固体润滑技术能很好的解决这些问题，它不仅能够适应复杂的工作环境，为机械结构设计提供巨大方便，同时能够很大程度上避免污染，减少繁琐的润滑修补问题。固体润滑材料主要可以分为软金属，金属化合物，无机物和有机物四大类，其中石墨层间化合物(GIC)具有较好的耐磨性以及较强的承载能力，在大气环境中能够有效提高涂层的抗氧化性；而二硫化钼(MoS₂)由于其优异的摩擦性能，在真空环境下得到了广泛的应用。

MoS₂同石墨一样具有层状的六方晶体结构，由S-Mo-S₃个平面层组成的单元层叠加而成，单元层内部S与Mo之间以很强的共价键连接在一起，层与层之间则以微弱的范德华力相连，使得层与层之间极易发生滑移，从而具有低摩擦特性，但 MoS₂涂层在实际应用当中仍然存在着很大的不足：(1)MoS₂晶体边缘不饱和的悬挂键具有化学活性，且涂层表面是疏松的蠕虫状多孔结构，在潮湿空气中摩擦会氧化形成MoO₃，造成摩擦性能下降甚至失效；(2)纯MoS₂涂层的表面硬度较低，耐磨寿命短，无法满足长时间的润滑要求。因此，在保证MoS₂低摩擦的优异性能基础之上，对MoS₂涂层结构进行重新设计以提高其在潮湿环境中的抗氧化性能和耐磨损性能十分重要。目前，针对MoS₂涂层的优化设计主要有以下两个方面——通过掺杂适量的金属(Cr，Ti，Zr，Nb，Pb，Au等)，非金属(C，N等)或者金属氧化物和碳化物(PbO，ZnO，NbC等)等使MoS₂呈现非晶结构，提高涂层致密性，如在MoS₂中掺杂金属Ti，它会优先氧化生成TiO₂形成保护膜阻止氧气的进一步渗透，从而改善涂层潮湿环境中的摩擦性能，还能够提高涂层与基体的结合力；或者与金属，非金属或者金属氧化物和碳化物等其它固体润滑涂层形成多层交替结构，如MoS₂/DLC(类金刚石碳)多层涂层，层与层之间界面能够有效阻止涂层内部的裂纹扩散，提高涂层的硬度，进而提高涂层耐磨性能。目前，航天火工分离装置主要是通过手工喷涂、等离子体喷涂和电泳沉积法等在其表面制备二硫化钼固体润滑涂层，膜厚均匀性差、膜基结合力低、涂层致密性不高，难以适应航天高性能、高可靠性要求。物理气相沉积方法具有成膜速率高，沉积温度低，膜层厚度均匀，组织致密等优点，能够满足火工分离二硫化钼固体润滑涂层的高效高性能制备。