本文是一篇工程硕士论文，本文以空间轴承保持架稳定运转为背景，研究了多孔聚酰亚胺保持架材料的理化性质和润滑特性，为提高聚酰亚胺保持架材料的使用寿命提供一点参考。
第一章绪论
1.1引言
航天器的运行环境具有特殊性，包括极端温度变化、真空状态、微重力条件、动态载荷波动、连续多次启停、辐射环境以及发射阶段的机械冲击等[1,2]，给航天器关键部件的设计与运行带来了前所未有的挑战。航天器的动态部件，如飞轮、控制力矩陀螺、太阳帆板驱动装置、陀螺仪等，是保障航天器稳定性与性能的关键因素。这些部件不仅要求具备高精度、高可靠性、长寿命和免维护的特性[3-5]，而且随着航天任务的复杂化，对其稳定运行的要求也更为严苛。特别是在执行通信、导航、载人及深空探测等国家级重点项目时，这些部件需要满足超过15年的寿命要求，这对其稳定性与可靠性提出了更高的挑战。
作为精密控制系统中的关键部件，如陀螺马达和飞轮，空间高速轴承保持架的物理属性、化学特性及其润滑性能，对系统的精度和寿命有直接影响。系统的运行精度和使用寿命受控于保持架的物理与化学属性及其润滑特性。统计数据表明[6,7]，从1975年至2007年，国内外272起航天器故障中，近37%归因于姿态与轨道控制子系统故障，而在这些子系统故障中，超过一半是由于如陀螺仪、动量轮等动态部件的故障所致，其中很多故障是由于轴承润滑失效，特别是保持架材料的磨损所引起[8]。这些故障中，百分之十二的失效造成了整个卫信星的停止，百分之四十六的失效造成整星性能的下降，给相关国家带来了大量的损失。例如，二零零二年，国际空间站的1个控制力矩陀螺在高速旋转中因润滑失效而导致轴承停运，任务失败。因此，对于空间轴承保持架材料的摩擦性能进行深入研究，不仅是解决技术难题，更具有重大的战略意义。
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1.2聚酰亚胺的改性研究
固体润滑是空间轴承的润滑方式之一，主要采用自润滑轴承保持架。研究者们通过在聚酰亚胺制备过程中添加纤维增强剂，固体润滑剂、纳米颗粒等改善聚酰亚胺摩擦学性能。
1.2.1纤维改性聚酰亚胺
这一类包括添加纤维增强剂的聚酰亚胺，如玻璃纤维、碳纤维等。这些纤维可以增强聚酰亚胺的机械性能和耐磨性[17,18]。
Zhang等[19]人采用酸和二胺对碳纤维（CF）进行表面改性，并测试了CF/PI复合材料的摩擦学性能。经过表面处理后，显著提升了CF与PI的粘结性，极大程度改善了摩擦学性能。此外，PI复合材料的摩擦学性能还与速度×载荷的乘积有关。结果表明当PV值变大时，CF/PI复合材料的摩擦学性能更加优异。Li等[20]人对CF进行表面处理（稀土溶液法和空气氧化法），研究了不同表面处理CF填充的PI复合材料与GCr15钢的摩擦磨损性能。他们采用硝酸氧化法对CF的表面进行改性[21]，发现这种方法可以活化CF表面，引入羧基等活性官能团，同时避免了摩擦磨损过程中CF与PI基体发生脱粘，从而提高了CF/PI复合材料的摩擦学性能。Samyn[22,23]对碳纤维增强并添加内部填料的热塑性聚酰亚胺的摩擦和磨损行为进行了研究。研究了了聚四氟乙烯(PTFE)和硅油在不同温度条件下对复合材料摩擦系数和磨损率的影响。主要发现包括聚四氟乙烯在降低摩擦系数方面的有效性，特别是在120°C时，而硅油则增加了摩擦。与热塑性聚酰亚胺相比，纤维增强聚酰亚胺的磨损率降低，额外的填料略微增加了磨损率。
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第二章实验材料和表征方法
2.1实验材料及表征
2.1.1实验材料
实验下试样材料选用上海合成树脂研究所生产的的聚酰亚胺保持架材料，如图2-1（a），试样为环形，外圆半径21mm，内孔半径为11mm，厚度为5mm。聚酰亚胺粉末化学式如图2-1(b)所示，聚酰亚胺材料因其主链上含有酰亚胺（-CO-N-CO-），故得此名，其耐高温程度可达四百摄氏度以上，长时间可用温度范围在二百摄氏度和三百摄氏度之间，无明显的熔点并具有高绝缘性能、良好的抗疲劳性、抗辐射性、抗氧化性、耐腐蚀性、以及良好的加工性能。
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2.2磨痕形貌和磨损机理分析
2.2.1磨痕形貌分析
用激光共聚焦显微镜（图2-6）来分析磨痕形貌，型号为LEXT™OLS4100，该设备是采取双共焦光学系统，结合高灵敏度的探测器，可以通过不同分辨率的镜头以及可以自动调焦相机，以非破坏观察法生成高画质的图像，观察和测量样品表面的三维形貌。拥有较大的样品测量范围，轻松检测85°尖锐角、轻松测量微小轮廓、克服反射率的差异、适用于透明层。由于使用了405 nm短波长的激光和更高数值孔径的物镜，OLS4100实现了0.12μm的平面分辨率。这使得对样品表面的亚微米级测量成为可能。结合了0.8nm的光栅读取精度和先进的软件算法，最高分辨率达10nm，可以方便快捷的获取清晰鲜明的3D彩色影像，同时配备丰富的测量功能，主要包括高度测量、表面粗糙度测量、面积/体积测量、几何测量等。这对于表征润滑试剂的润滑性能以及润滑规律有着重要意义。
2.2.2磨损机理分析
使用扫描电子显微镜对磨痕进行磨损机理分析。Thermo Scientific Apreo 2SEM场发射扫描电镜（图2-7）搭载实时元素成像功能和先进的自动光学系统，实现灰色区域解析且具有多功能性和高质量成像性能，采用了创新性的末级透镜设计，引入静电式末级透镜，支持镜筒内高分辨率检测，即使是针对磁性样品也可实现极佳成像及分析性能。Apreo 2 SEM优化了高分辨成像能力，并且增设许多新功能提升其易用性。Apreo 2 SEM在耐用的SEM平台上引入了SmartAlign（智能对中）技术，不再需要用户手动进行调整操作，而且，FLASH自动执行精细调节工作，只需移动鼠标几次，就可以完成必要的透镜居中、消像散和聚焦矫正。此外，Apreo 2 SEM可以在10mm分析工作距离下具有1nm分辨率的SEM，远的工作距离不再意味着低分辨成像，系统还可升级实时元素谱/图成像功能，颠覆了几十年来传统SEM-EDS固有的元素分析流程，将元素分析效率提升2倍有余并可以得到优质的分析效果。
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第三章 不同摩擦方式下聚酰亚胺材料摩擦学性能研究 .................... 17
3.1 法向载荷对聚酰亚胺材料摩擦学性能的影响 ............................ 17
3.1.1 法向载荷对摩擦系数的影响 ......................... 17
3.1.2 法向载荷对磨损率的影响 ................................. 18
第四章 润滑油对聚酰亚胺材料摩擦学性能的影响 .................... 27
4.1 润滑油种类介绍及实验设计 .............................. 27
4.1.1 润滑油种类 ........................................ 27
4.1.2 实验设计 .......................................... 28
第五章 纳米颗粒对聚酰亚胺材料摩擦学性能的影响 ........................ 41
5.1 纳米颗粒种类介绍及实验设计 ............................. 41
5.1.1 纳米颗粒种类 ..................................... 41
5.1.2 实验设计 ............................ 42
第五章纳米颗粒对聚酰亚胺材料摩擦学性能的影响
5.1纳米颗粒种类介绍及实验设计
5.1.1纳米颗粒种类
碳纳米管、石墨烯、石墨粉等碳纳米颗粒体积小、表面活性高，作为润滑添加剂在摩擦过程中纳米粒子球的滚动、化学反应（如碳纳米管促进摩擦表面产生碳膜、石墨烯和石墨粉在摩擦副表面形成石墨润滑膜等）、纳米粒子的填充等多种机制协同作用，减小摩擦过程中摩擦副界面的接触面积，降低磨擦损耗，能显著改善耐磨性能[77]。
表5-1列出了实验用碳纳米管、石墨烯、石墨粉三种纳米颗粒的特性参数。图5-1为三种纳米颗粒在SEM观察的形貌图（左10000X，右100000X）。图5-1中碳纳米管尺寸在10微米左右。图5-2中石墨烯呈蜂窝状。图5-3中石墨粉呈层片状。
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第六章结论与展望
6.1主要结论
本文以空间轴承保持架稳定运转为背景，研究了多孔聚酰亚胺保持架材料的理化性质和润滑特性，为提高聚酰亚胺保持架材料的使用寿命提供一点参考。主要的工作包括：研究了不同载荷、不同摩擦方式下的聚酰亚胺保持架摩擦学性能，解释了其跑和发黑的原因；研究了聚酰亚胺保持架材料在不同种类润滑、不同油量下的摩擦学性能，并在润滑油中加入了纳米颗粒，得出了聚酰亚胺材料摩擦效果较好的条件。总结本文的研究内容，主要包括以下结论：
（1）在不同载荷相同摩擦形式的情况下，滑动摩擦与滚滑摩擦的摩擦系数都随着载荷的增大而不断下降，磨损率也随载荷增大不断减小。不同载荷下纯滑动方式磨痕较浅，滚滑摩擦方式下较宽且发黑，随着载荷增加，磨痕宽度呈现先减小后增加的趋势，载荷为7.5N时磨痕宽度最小。滚滑摩擦方式的磨痕发黑，其原因是钢球与球托摩擦升温，且摩擦会产生铁屑，同时聚酰亚胺C-O键和C=O键断裂，并与铁屑反应形成了黑色物质，导致磨痕发黑。滑动方式下，磨损机理以磨粒磨损和氧化磨损为主，滚滑方式下，磨损机理为磨粒磨损、氧化磨损和黏着磨损。
（2）随着润滑油量从10μl增加至40μl时，摩擦系数呈下降趋势。10μl润滑油量下，三种润滑油下聚酰亚胺的磨痕表面均有犁沟；20μl润滑油量下，PAO油和太古油磨痕表面有少量犁沟。润滑油量为30μl、40μl时，试样表面能看到清晰的磨损痕迹，均没有出现犁沟。润滑油量为40μl时，摩擦系数随着时间均呈现减小趋势。太古油平均摩擦系数、磨损率和磨痕宽度均最大，蓖麻油平均摩擦系数、磨损率和磨痕宽度均最小，相比较于PAO油分别降低了10.61%、25.03%、9.98%。润滑油量为40μl时，聚酰亚胺材料磨痕表面呈絮状，磨痕表面出现塑性变形，均匀分布有细微的磨屑颗粒。太古油磨痕表面有较大磨屑颗粒，明显大于蓖麻油和PAO油润滑状态下磨屑颗粒。磨损机理以磨粒磨损为主。
参考文献（略）