本文轉自：蘭州晚報

■“強省會·蘭州絕技”系列報道

蘭州化物所成功開展多項中國空間站材料艙外暴露實驗

部分樣品已運回地面並移交該所研究

王德生研究員查看相關實驗數據

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。之後，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並存儲。材料艙外暴露實驗裝置及樣品中，有18臺套動態摩擦學裝置和134件靜態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於4月30日返回地面，並於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。

這並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。中國工程院院士薛羣基研究員當時表示，試驗爲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，爲我們科研工作者在空間開展材料驗證提供了機遇和保障。”蘭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複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，將爲我國在空間潤滑領域搶佔制高點佔得一次先機。

“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暴露實驗，與2008年相比，這次不僅搭載了靜態實驗，還開展了動態摩擦學實驗，包括球盤摩擦實驗和首次軸承實驗。”蔡美榮告訴記者，“在艙外，有我們18臺套動態摩擦學裝置，包括3檯球盤摩擦裝置和15套軸承實驗機。”

“所謂靜態暴露是指將潤滑油、潤滑脂之類的材料樣品直接放在空間中接受輻照，之後和之前作對比，看錶觀、理化性能、結構、組成是否有變化，指導我們探究、分析它們在真實環境中的服役性能會發生什麼樣的變化。動態暴露是看球盤和軸承在艙外轉動及摩擦狀態下油脂性能變化，更直觀、更真實地感受空間狀態下，油脂的服役變化及規律。”蘭州化物所專項任務處處長於強亮介紹，劉維民院士已牽頭建成了國內首套模擬空間環境下摩擦試驗原位分析裝置，模擬空間環境，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。”2024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，看材料表面狀態是否發生變化。

爲什麼送這類材料上天？蔡美榮解釋說，如何實現空間特殊環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境下，有揮發或遷移、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的有序組裝，將潤滑油束縛於摩擦對副，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役固體潤滑薄膜複合在一起使用，可大大提高潤滑材料的使用壽命。”於強亮說，把液體潤滑材料做成半固態的凝膠，摩擦過程中在摩擦熱或者摩擦力的作用下其從凝膠態轉變爲溶膠態，所產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。”此外，與固體潤滑薄膜複合之後，固液兩類潤滑材料的特性都能發揮到最佳狀態，摩擦也會隨之降低。“這種材料是蔡美榮研究員所在的周峯老師團隊首創的，在實驗室的一系列研究中，發現有非常好的自約束和潤滑抗磨特性。”

於強亮表示，這類材料在地面模擬空間環境試驗中表現良好，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境下的可靠性。記者同時瞭解到，空間站艙外開展的動態摩擦學實驗皆爲加速實驗。“也就是說，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覈目標。”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境效應的探索性研究，獲取了寶貴的實驗數據，也是後續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，本次空間實驗也是針對研製的潤滑薄膜材料進行了較長週期的材料暴露和摩擦學實驗，對探究空間環境條件下潤滑材料的結構、性能的變化規律具有重要意義，也可爲新型空間長壽命潤滑材料的研發提供科學依據。

蘭州化物所長期從事特殊環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，爲我國航天事業高質量發展作出了重要貢獻。據統計，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，引領着潤滑材料發展，爲國家經濟建設、科技事業發展，特別是我國戰略高技術發展作出了重大貢獻，已有着60多年的歷史。該實驗室即將重組爲全國重點實驗室，它將聚焦國家航天航空重大需求，以實驗室爲核心，整合、統籌力量，構建全鏈條潤滑材料創新研究體系，打造國際領先的潤滑創新研究基地和創新人才匯聚高地，努力成爲國家潤滑材料科學與技術研究的戰略科技力量。

（本文系由市科技局支持、《蘭州晚報》開設的“創新領航”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