引用論文

Wang, H., Chen, S., Huang, Q. et al. Study of Adhesion Force of Typical Space Solid Lubricant Films Based on AFM Technology. Chin. J. Mech. Eng. 38, 84 (2025). https://doi.org/10.1186/s10033-025-01251-5

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01

研究背景及目的

為適應未來我國更復雜、更頻繁探月任務的需求，面對類似月塵等極端工況，深入開展月塵苛刻環境下典型固體潤滑薄膜的吸附性能機理研究，對提升探月裝備在月面特殊環境效應下的適應性、耐久性與可靠性具有重要意義。本手稿旨在尋找具有低表面能的典型空間固體潤滑薄膜應用于探月裝備，從而降低空間機構表面月塵吸附量，為后續提高空間機構服役可靠性提供堅實的理論與技術基礎。

02

試驗方法

根據典型空間固體潤滑薄膜體系，制備了三種固體潤滑膜樣品：PTFE（聚四氟乙烯）、a-C（非晶碳）和MoS2（硫化鉬），并采用一系列測試手段對其表面能與粘附力的關系進行了深入研究。首先，利用接觸角測量儀研究了薄膜表面的潤濕性和表面能，通過分析接觸角數據來探討表面能與粘附力之間的相互關系。接著，基于月塵微吸附模型，采用高分辨率的原子力顯微鏡（AFM）探針與樣品表面之間的相互作用力，量化薄膜樣品的表面粘附力。為了研究不同環境壓力對固體潤滑膜吸附性能的影響，實驗分別在常壓（真空度為10-6 Pa）環境和高真空環境下進行，確保測試數據的代表性和可靠性。通過這些實驗，研究的目標是篩選出具有低表面能、優異抗附著能力的典型空間固體潤滑膜，進而為探月裝備的設計提供理論支持。此外，本研究還對影響固體潤滑膜吸附行為的多個因素進行了系統分析，建立了這些因素之間的關系，旨在為未來航天器和探月裝備的材料選用和表面設計提供理論指導。

Figure 1 Basic principle and experimental equipment for surface energy testing

Figure 2 AFM measurement of adhesive force process and corresponding force curve diagram

03

結果

本研究通過動態潤濕性測試和原子力顯微鏡(AFM)技術，分析了三種典型固體潤滑膜（PTFE、a-C、MoS2）在空間環境下的表面能與表面粘附性能。利用高真空原子力顯微鏡驗證了其在研究月球塵埃顆粒微觀粘附特性中的有效性，并證明該技術適用于更廣泛的空間環境模擬實驗。表面能測試結果顯示，MoS2薄膜因其高密度、低粗糙度及層狀結構，具有28.60 mN/m的較低表面能。表面附著力測試表明，MoS2薄膜在常壓和高真空環境下的附著力分別為8.909 nN和8.435 nN，表現出較低的附著力。通過分析，我們發現表面能與表面附著力之間存在顯著的正相關關系。表面能的增加通常伴隨著分子間吸引力的增強，這種增加的吸引力導致表面附著力的提升。這一結果對于月球探測任務中的月塵顆粒控制和設備表面設計具有重要意義，特別是在考慮到月球表面極端真空和低重力環境下，表面能的優化可有效降低月塵顆粒的吸附，提升探測器和航天器的性能與壽命。

Figure 3 Surface composition characterization and analysis of three groups of solid lubricating film samples

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結論

結果表明，固體潤滑膜的附著力不僅與材料性能和表面能密切相關，還受到表面粗糙度和測試環境的影響。MoS2薄膜在月球表面等高真空環境中，既具備優良的潤滑特性，又具有低附著力，能夠有效減少月球塵埃顆粒的附著。該研究為月塵顆粒吸附測試提出方案，并揭示了表面能與附著力之間存在相關聯系。未來研究方向可以采用月塵修飾后的AFM探針同步開展試驗，從而有助于后續制定有效的針對性防護措施，確保航天器設備的穩定性與耐用性。

05

前景與應用

原子力顯微鏡（AFM）在顆粒吸附研究中的應用，為未來月球探測中月塵對航天器和探測設備的影響提供了重要的實驗手段。隨著月球探測任務的深入，特別是月球表面環境的特殊性，月塵對設備的負面影響日益顯現。AFM技術以其高分辨率和精確的表面力學測試能力，能夠深入研究月塵顆粒在設備表面的微觀吸附行為，進而揭示月塵對材料性能的潛在影響。

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作者介紹

任志英（通訊作者），福州大學金屬橡膠與振動噪聲研究所所長兼黨支部書記，入選福建省高層次人才（B類）、福建省科技特派員、教育部聯合基金創新團隊核心成員。兼任中國機械工程學會摩擦學分會副主任委員、中國振動工程學會人因振動工程專業委員會委員、福建省女科技工作者協會常務理事等，《symmetry》/《振動、測試與診斷》/《摩擦學學報》/《機械強度》/《軸承》等期刊編委/青年編委。長期從事高端裝備減振降噪技術研究，近五年主持國家自然科學基金3項（包括重點項目1項）、國防類項目、省部級項目以及核電等企事業單位委托項目30余項，在Adv.Func.Mat.、MSSP、Friction、Trib.Inter.、Wear、機械工程學報等發表論文近150篇。科學出版社出版專著1本；授權國家專利80余項，其中發明專利55項，軟件著作11項，4項發明專利實現企業許可。成果獲福建省科技進步一等獎、機械工業科技進步二等獎、中國發明協會創業創新二等獎各1項。

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作 者：王浩宇

責任編輯：謝雅潔

責任校對： 向映姣

審 核：張 強

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