王德生研究員查看相關實驗數(shù)據(jù)

蔡美榮研究員介紹相關實驗

此次艙外暴露實驗材料

2008年艙外實驗裝置及樣品

3月14日，在地面科研人員的密切協(xié)同下，中國空間站材料艙外暴露實驗裝置及樣品組合體由空間站機械臂成功轉移至空間站氣閘艙內。之后，共計407件艙外暴露材料由神舟十七號乘組航天員完成拆卸并存儲。材料艙外暴露實驗裝置及樣品中，有18臺套動態(tài)摩擦學裝置和134件靜態(tài)潤滑材料樣品來自中國科學院蘭州化學物理研究所，已在軌實驗滿一年。其中，71件艙外暴露實驗裝置及科學實驗樣品已隨神舟十七號飛船返回艙于4月30日返回地面，并于5月13日移交中國科學院蘭州化學物理研究所進一步開展研究工作。

這并不是蘭州化物所潤滑材料樣品的首次艙外暴露實驗。2008年9月27日，神舟七號航天員翟志剛完成了中國人的首次太空行走，耗時19分35秒的出艙活動中，翟志剛取回的飛船艙外搭載的固體潤滑材料，就是中國科學院院士、蘭州化物所學術委員會主任委員劉維民研究員帶領的“神舟七號飛船應用系統(tǒng)固體潤滑材料空間試驗”科研團隊完成的，艙外搭載43.6小時。中國工程院院士薛群基研究員當時表示，試驗為特殊工況下固體潤滑材料的作用機理研究和應用作出了重大貢獻。

“2022年中國空間站的全面建成，為我們科研工作者在空間開展材料驗證提供了機遇和保障?！碧m州化物所材料潤滑重點實驗室蔡美榮研究員說，2021年，她與王德生研究員分別提出了在空間站開展凝膠復合潤滑和固體潤滑薄膜材料的科學實驗項目。2022年11月12日，材料潤滑重點實驗室的這批固體潤滑材料和新型超分子凝膠潤滑材料隨天舟五號上天。2023年3月8日，該材料艙外暴露實驗裝置出艙，到目前已在軌實驗滿一年。此次空間站艙外暴露實驗是世界上首次液體潤滑材料的空間飛行實驗，將為我國在空間潤滑領域搶占制高點占得一次先機。

“神舟七號上，我們中國科學院蘭州化學物理研究所首次開展了固體潤滑材料靜態(tài)暴露實驗，與2008年相比，這次不僅搭載了靜態(tài)實驗，還開展了動態(tài)摩擦學實驗，包括球盤摩擦實驗和首次軸承實驗?！辈堂罉s告訴記者，“在艙外，有我們18臺套動態(tài)摩擦學裝置，包括3臺球盤摩擦裝置和15套軸承實驗機。”

“所謂靜態(tài)暴露是指將潤滑油、潤滑脂之類的材料樣品直接放在空間中接受輻照，之后和之前作對比，看表觀、理化性能、結構、組成是否有變化，指導我們探究、分析它們在真實環(huán)境中的服役性能會發(fā)生什么樣的變化。動態(tài)暴露是看球盤和軸承在艙外轉動及摩擦狀態(tài)下油脂性能變化，更直觀、更真實地感受空間狀態(tài)下，油脂的服役變化及規(guī)律?！碧m州化物所專項任務處處長于強亮介紹，劉維民院士已牽頭建成了國內首套模擬空間環(huán)境下摩擦試驗原位分析裝置，模擬空間環(huán)境，但地面模擬的劑量、輻照時間、溫差和塵埃等情況畢竟與真實工況有差異，所以還必須做真實空間的暴露實驗。

“我們的固體潤滑材料比如固體潤滑薄膜等已經(jīng)在各種航天器上得到應用，這次有一類新型超分子凝膠潤滑材料在空間站艙外材料平臺開展性能驗證?！?024年3月15日，蔡美榮、王德生等科研人員通過與航天員手持攝像機來確認樣品，看材料表面狀態(tài)是否發(fā)生變化。

為什么送這類材料上天？蔡美榮解釋說，如何實現(xiàn)空間特殊環(huán)境下機械活動部件長壽命、高可靠性潤滑是當前空間潤滑研究的焦點。液體潤滑材料在空間環(huán)境下，有揮發(fā)或遷移、爬移的風險，固體潤滑薄膜壽命有限。凝膠潤滑材料通過液體潤滑劑內部自發(fā)的有序組裝，將潤滑油束縛于摩擦對副，避免了潤滑劑爬移、遷移，具有“自約束”的性能。“我們把凝膠潤滑材料和現(xiàn)役固體潤滑薄膜復合在一起使用，可大大提高潤滑材料的使用壽命。”于強亮說，把液體潤滑材料做成半固態(tài)的凝膠，摩擦過程中在摩擦熱或者摩擦力的作用下其從凝膠態(tài)轉變?yōu)槿苣z態(tài)，所產(chǎn)生的熱量也會被凝膠吸收，“這樣既可以約束油脂不爬移、不遷移，又可以降低其溫度，從而提升其使用壽命?！贝送?，與固體潤滑薄膜復合之后，固液兩類潤滑材料的特性都能發(fā)揮到最佳狀態(tài)，摩擦也會隨之降低?！斑@種材料是蔡美榮研究員所在的周峰老師團隊首創(chuàng)的，在實驗室的一系列研究中，發(fā)現(xiàn)有非常好的自約束和潤滑抗磨特性?！?/p>

于強亮表示，這類材料在地面模擬空間環(huán)境試驗中表現(xiàn)良好，能滿足航天使用要求，這次空間站暴露實驗是驗證它在真實空間環(huán)境下的可靠性。記者同時了解到，空間站艙外開展的動態(tài)摩擦學實驗皆為加速實驗?！耙簿褪钦f，潤滑材料或者潤滑部件在空間須運行多年，我們要在短暫的一年時間內完成相關的性能考核目標。”王德生說，2008年開展的我國首次飛船艙外暴露實驗主要開展了不同種類固體潤滑材料的真實空間環(huán)境效應的探索性研究，獲取了寶貴的實驗數(shù)據(jù)，也是后續(xù)工作重要的研究基礎。在固體潤滑材料這個領域，蘭州化物所一直在做新型潤滑材料的研發(fā)，本次空間實驗也是針對研制的潤滑薄膜材料進行了較長周期的材料暴露和摩擦學實驗，對探究空間環(huán)境條件下潤滑材料的結構、性能的變化規(guī)律具有重要意義，也可為新型空間長壽命潤滑材料的研發(fā)提供科學依據(jù)。

蘭州化物所長期從事特殊環(huán)境與苛刻工況下材料和技術的研究工作，聚焦國家航天航空等高端裝備領域對潤滑的需求和國際學科前沿，解決了相關技術難題，為我國航天事業(yè)高質量發(fā)展作出了重要貢獻。據(jù)統(tǒng)計，目前我國航天器固體潤滑材料大約70%由蘭州化物所提供。潤滑材料重點實驗室是中國摩擦學研究的重要力量，長期以來在國內外享有盛譽，引領著潤滑材料發(fā)展，為國家經(jīng)濟建設、科技事業(yè)發(fā)展，特別是我國戰(zhàn)略高技術發(fā)展作出了重大貢獻，已有著60多年的歷史。該實驗室即將重組為全國重點實驗室，它將聚焦國家航天航空重大需求，以實驗室為核心，整合、統(tǒng)籌力量，構建全鏈條潤滑材料創(chuàng)新研究體系，打造國際領先的潤滑創(chuàng)新研究基地和創(chuàng)新人才匯聚高地，努力成為國家潤滑材料科學與技術研究的戰(zhàn)略科技力量。

（本文系由市科技局支持、《蘭州晚報》開設的“創(chuàng)新領航”專欄第66期）

蘭州日報社全媒體記者 何燕 實習生 劉弘婧 文/圖

責任編輯：鐘磊