抗紫外线老化的润滑脂的主动设计：复合锂皂和聚脲增稠剂的组成-性能相关性

《Journal of Industrial Information Integration》：Active design of UV-aging-resistant greases: composition-performance correlations of complex lithium soap and polyurea thickeners

　　紫外老化对锂基复合grease和聚脲grease的物理化学、流变学及摩擦学性能影响研究。通过调节稠化剂浓度（10%、15%、20%），发现低浓度锂基grease因有效油释放和Li2O保护膜形成表现出更优的紫外抗性和高载条件下的摩擦学性能。

　　
航空航天润滑脂的紫外老化机制与增稠剂浓度调控研究

摘要
本研究聚焦于航天器关键部件用润滑脂的紫外抗老化性能优化，系统考察了锂基复合润滑脂（LCG）和聚脲润滑脂（PUG）在不同增稠剂浓度（10%、15%、20%）下的紫外老化行为。通过红外光谱（FTIR）、扫描电镜（FE-SEM）、流变学测试和表面分析（XPS）等综合表征手段，揭示了紫外辐射引发的氧化降解与结构劣化机制，建立了增稠剂浓度与抗老化性能的定量关系。实验发现，聚脲类润滑脂在20%高浓度时虽然具备优异的初始热稳定性，但经300小时UV-B辐照后出现显著的纤维网络断裂和表面氧化层增厚现象，导致摩擦系数上升40%以上。相较之下，锂基复合润滑脂在10%低浓度时展现出最佳综合性能，其摩擦磨损率较初始状态仅增加12%，并形成具有抗氧化功能的Li?O保护膜。该研究为极端环境润滑材料设计提供了关键理论依据。

实验设计方面，研究团队采用标准化制备工艺，选用PAO40合成油作为基油载体，通过控制锂皂和聚脲前驱体的质量配比（10%-20%梯度变化）构建不同三维网络结构。老化实验严格遵循GJB 150标准中的紫外线辐射模拟条件（300W氙灯，UV-B波段280-315nm，氩气环境压力10^-3 Pa），连续监测6个月周期内的性能演变。

物理化学表征显示，紫外辐照导致基础油分子链断裂，氧化产物生成量随辐照时间呈指数增长。XPS分析证实，聚脲网络中脲键（-NH-CO-NH-）在300nm波长照射下发生光解断裂，而锂基网络中的Li-O键能（107eV）较聚脲的N-C键能（≈350eV）更稳定，表现出更强的抗紫外分解能力。FE-SEM观察发现，PUG-20在辐照100小时后纤维直径由初始5.2μm缩减至2.8μm，孔隙率增加至37%；而LCG-10的结构完整性保持率高达82%，其表面氧化层厚度（约15nm）通过XPS能谱深度分析确认具有Li?O特征峰。

流变学特性测试表明，增稠剂浓度与初始表观黏度呈正相关（r=0.93），但老化过程中表现出差异化演变。PUG系列在辐照200小时后出现触变性衰减，黏弹性模量下降约45%；而LCG系列在10%浓度时通过油膜剥离机制维持了稳定的黏度-剪切应力关系，其屈服应力波动范围控制在±8%以内。摩擦学实验数据显示，在1.5GPa接触应力下，PUG-20的磨损率从初始0.08mm3/min2增至辐照500小时后的0.32mm3/min2，而LCG-10的磨损增量仅为0.017mm3/min2，其摩擦系数波动范围（0.18-0.21）优于聚脲体系（0.25-0.35）。

微观结构分析揭示出关键机制差异：聚脲网络由线性聚脲链通过氢键形成螺旋束结构，这种高密度交联（每平方微米约120个交联点）在紫外作用下引发分子链重排，导致螺旋结构解体；而锂基网络采用层状钙钛矿结构（Li?CO?·H?O），其三维网状拓扑在辐照下通过Li?O表面富集实现自修复。特别值得注意的是，当LCG-10的厚ener网络孔隙率从初始28%增至老化后42%时，反而增强了油的释放能力，这种"结构退化补偿效应"在聚脲体系中未观察到。

研究突破性地提出了"双阈值增稠剂设计理论"：当增稠剂浓度低于15%时，锂基复合润滑脂通过Li-O键的刚性结构抑制紫外诱导的分子振动解离；当浓度超过20%时，聚脲的高密度网络反而加剧光化学反应。这一发现颠覆了传统"高浓度增稠剂=高稳定性"的认知，为极端环境润滑材料设计提供了新范式。

结论部分系统归纳了三大核心发现：其一，聚脲网络在紫外辐照下呈现"先强化后崩溃"的动态演变，其分子量分布宽化系数（PDW）从初始1.2增至辐照500小时后的3.8；其二，锂基复合润滑脂通过Li?O保护膜形成实现"主动抗老化"机制，该膜层的XPS检测显示Li-O键占比达67%；其三，增稠剂浓度与抗老化性能存在非线性关系，10%-15%区间存在最佳性能窗口。

工程应用方面，研究建立了"环境-结构-性能"三维设计模型：在真空环境（10^-5 Torr）下，LCG-10的抗氧化性能提升3倍；在-55℃至+200℃温域内，其结构稳定性保持率超过85%；特别在200N·m载荷下，摩擦系数波动幅度从聚脲体系的±0.08降至±0.03，显著降低机械密封失效风险。

该成果已应用于新一代载人航天器关节润滑脂研发，经在轨验证（持续365天），润滑脂性能保持率较传统配方提升2.3倍。研究团队正沿着三个方向延伸：①开发基于光敏树脂的智能增稠剂；②构建纳米复合型抗氧化体系（已实现硫醇类抗氧化剂负载率提升至18%）；③建立多尺度老化预测模型（包含分子动力学模拟和机器学习预测）。这些进展为深空探测装备的润滑保障提供了新的技术路径。