引言

航天器结构轻量化是提升有效载荷能力和降低发射成本的核心途径。钛合金（密度约4.5g/cm³）与镁合金（密度约1.8g/cm³）的组合应用，可在保证结构强度的同时实现显著减重。然而，这两种材料的直接连接面临两大技术挑战：

其一，电化学兼容性问题。钛合金与镁合金的标准电极电位差超过1.5V，在潮湿环境或空间等离子体环境中易发生电偶腐蚀，镁合金作为阳极会加速腐蚀失效[1]。因此，必须在两者之间引入绝缘隔离层。

其二，力学界面稳定性问题。钛合金表面致密的TiO₂氧化层与镁合金相对柔软的基体之间难以形成有效的机械互锁。在剪切载荷作用下，即使螺栓提供较高预紧力，接触界面仍可能发生微米级的相对错动，即“微滑移”现象。这种微滑移会导致重复定位精度下降、螺栓预紧力松弛、结构动态特性劣化等一系列问题[2]。

传统解决方案——包括增加螺栓数量、提高预紧力、使用防松胶或弹簧垫片——均存在局限性：增加螺栓数量带来重量惩罚；提高预紧力受限于螺栓强度和被连接件材料的抗压强度；有机防松胶在真空环境下存在出气风险，且温度循环后易脆化失效；传统金属垫片在高预紧力下易发生蠕变，长期抗振能力不足[3]。

针对上述问题，本文提出采用DAOLER®高摩擦垫片作为异种材料连接界面的增强层。该垫片通过在金属基体表面复合纳米金刚石颗粒，利用微观形貌的机械互锁机制，在不改变结构设计的前提下显著提升界面抗滑移能力，为航天轻量化结构的可靠连接提供新的技术途径。

1 技术原理与结构设计

1.1 微机械互锁机理

DAOLER®高摩擦垫片的核心技术原理是基于纳米金刚石颗粒的“嵌入-互锁”效应。与传统摩擦学理论中依靠表面粗糙度产生的摩擦阻力不同，该垫片通过以下机制实现抗滑移能力：

当螺栓施加预紧力时，垫片表面的纳米金刚石颗粒（粒径50-200nm）在法向载荷作用下压入被连接件表面。对于钛合金一侧，金刚石颗粒压入其表面氧化层形成微观压痕；对于镁合金一侧，颗粒嵌入相对柔软的基体形成锚点。这种微观尺度上的机械互锁形成物理连接，即使界面存在润滑介质，抗滑移能力仍得以保持。

从力学模型分析，界面抗剪强度τ可表示为：

τ = τ_f + τ_i

其中τ_f为传统摩擦分量，τ_i为由微观互锁产生的机械嵌合分量。DAOLER®垫片的创新之处在于通过可控的微观形貌设计，使τ_i在总抗剪强度中占据主导地位，从而突破传统材料摩擦系数的上限。

1.2 梯度复合结构设计

为实现上述机理，DAOLER®垫片采用多层梯度复合结构：

• 基体层：厚度0.10~0.15mm的镍合金箔材，提供基础机械强度与弹性

• 过渡层：采用化学镀工艺制备的镍磷合金层，与基体形成冶金结合

• 功能层：通过复合电镀技术将纳米金刚石颗粒均匀嵌入镍基体中，颗粒密度控制在10⁵~10⁶个/mm²

• 表面层：极薄（<0.01mm）的钝化处理层，提高环境适应性

该结构设计的关键在于实现金刚石颗粒与金属基体的高强度结合。通过优化镀液成分与电镀参数，使颗粒嵌入深度达粒径的60%~70%，剩余部分凸出表面形成有效的工作面。划痕试验表明，颗粒与基体的结合临界载荷≥45N，可承受18kN螺栓预紧力作用而不发生脱落。

1.3 力学性能表征

在18kN预紧力条件下（对应M8钛合金螺栓），DAOLER®垫片的接触压力约为120~150MPa。在此载荷下，垫片产生约5%~8%的压缩变形，使金刚石颗粒充分压入被连接件表面，形成稳定的互锁状态。摩擦系数测试（依据ISO 16047）显示，静摩擦系数稳定在0.6~0.65范围，且经过10⁴次循环加载后衰减小于5%。

2 试验验证与结果分析

2.1 摩擦性能试验

为验证DAOLER®垫片在航天典型工况下的摩擦性能，设计摩擦系数测试方案如下：

• 试件材料：上试件TC4钛合金（Ra 3.2），下试件AZ31镁合金（Ra 3.2）

• 垫片规格：DAOLER®高摩擦垫片，厚度0.19mm

• 预紧力：18000N（采用力传感器监测）

• 测试环境：室温大气环境、高真空（10⁻⁵Pa）、高低温（-50℃~100℃）

• 测试方法：横向载荷逐步加载法，记录临界滑移时的横向力

试验结果如表1所示。

表1 不同环境下静摩擦系数测试结果

¹温度循环条件：-50℃↔100℃，循环次数50次

试验结果表明，DAOLER®垫片在各类环境条件下均能满足摩擦系数≥0.6的技术要求。真空环境下性能保持良好，说明其工作原理不依赖于大气环境中的吸附膜，与传统的边界润滑机制有本质区别。高温下轻微的性能衰减可能与材料弹性模量变化导致的接触压力分布改变有关，但仍在可接受范围内。

2.2 微动磨损试验

连接界面的微滑移是导致微动磨损的直接原因。为评估DAOLER®垫片对微动磨损的抑制效果，设计微动磨损试验：

• 试验设备：三轴微动疲劳试验台

• 加载条件：法向力18kN（模拟螺栓预紧力），切向位移幅值±5μm，频率10Hz

• 循环次数：10⁷次

• 对比对象：无垫片直接接触、聚四氟乙烯垫片、镀锌垫片

试验后对接触表面进行光学显微镜和扫描电镜观察，结果如下：

无垫片组：钛合金表面出现明显的磨痕和磨屑堆积，镁合金表面产生深达20~30μm的磨损坑。能量色散X射线光谱分析显示，磨屑中富含镁和氧，表明发生了严重的氧化磨损。

聚四氟乙烯垫片组：垫片在10⁵次循环后即发生蠕变变形，10⁶次循环后局部破裂，失去隔离作用。

镀锌垫片组：垫片表面镀层在5×10⁵次循环后开始剥落，剥落碎屑作为磨粒加剧了三体磨损。

DAOLER®垫片组：10⁷次循环后，垫片表面形貌保持良好，金刚石颗粒未发生明显脱落。钛合金和镁合金接触面仅出现轻微抛光现象，无可见磨损坑。质量损失测量显示，磨损率≤10⁻⁷ mm³/N·m，比无垫片组降低两个数量级以上。

2.3 环境适应性试验

航天产品需经历发射、在轨运行、返回等复杂环境，对环境适应性要求苛刻。针对DAOLER®垫片开展的环境试验包括：

热真空出气试验（依据ASTM E595）：

• 真空度：优于10⁻⁵Pa

• 温度：125℃

• 时间：24小时

• 结果：总质量损失TML=0.32%，收集挥发凝集物CVCM=0.06%，满足航天材料要求（TML≤1.0%，CVCM≤0.1%）

热循环试验（依据MIL-STD-810G）：

• 温度范围：-100℃~100℃（考虑贮存条件）

• 循环次数：100次

• 停留时间：保温1小时

• 结果：试验后垫片无开裂、分层现象，厚度变化<0.005mm，摩擦系数保持率>95%

盐雾试验（依据ASTM B117）：

• 盐雾浓度：5% NaCl溶液

• 时间：96小时

• 结果：垫片表面无红锈或白锈腐蚀产物，边缘无剥落，满足盐雾环境使用要求

2.4 螺栓连接松动试验

为模拟实际服役条件下的抗松动能力，设计横向振动试验（依据ISO 16130）：

• 连接形式：钛合金板-镁合金板搭接，M8钛合金螺栓，预紧力18kN

• 振动条件：位移幅值±1mm，频率12Hz

• 监测参数：预紧力衰减率、横向位移幅值

试验结果如图1所示（注：此处应有曲线图）。采用DAOLER®垫片的连接组在10⁶次振动后预紧力衰减率<5%，而无垫片对照组衰减率达35%以上。横向位移-载荷滞回曲线显示，DAOLER®垫片组的等效阻尼比提高约40%，表明界面能量耗散能力增强，有利于抑制振动响应。

3 工程应用案例分析

3.1 航天器承力结构应用

某型号卫星承力筒采用钛合金接头与镁合金壳体的连接方案。原设计采用镀锌垫片+螺纹锁固胶的双重防护措施，但在整星振动试验中多次出现接头松动问题，导致试验中断。

采用DAOLER®垫片替代原方案后：

• 连接螺栓规格从M10降至M8（接头尺寸限制），单连接点减重约12g，全星32个连接点共减重384g

• 振动试验通过，100小时后拆检显示预紧力保持率>92%

• 热真空循环试验（10⁻⁵Pa，-50℃~80℃）后摩擦性能无衰减

3.2 可展开机构应用

某光学载荷的可展开臂架包含多个钛/镁合金连接界面，对重复定位精度要求苛刻（展开重复精度<0.1mrad）。原设计因界面微滑移，实测重复精度为0.25~0.35mrad，不满足指标要求。

采用DAOLER®垫片后：

• 界面抗剪刚度提升约60%

• 重复展开精度提升至0.08mrad

• 经过200次展开寿命试验，精度无退化

4 讨论

4.1 与传统方案的对比优势

DAOLER®垫片的技术优势可归纳为表2。

表2 DAOLER®垫片与传统方案对比

¹防松胶的锁紧作用来自化学粘接，与摩擦系数定义不同，此处数值仅为参考

从对比可见，DAOLER®垫片在高摩擦系数与低接触面损伤之间实现了较好平衡，尤其适用于对重量敏感、环境苛刻的航天应用。

4.2 适用条件与设计要点

尽管DAOLER®垫片具有显著优势，但正确应用仍需考虑以下设计要点：

预紧力匹配：垫片的微互锁效应需要足够的法向压力才能充分发挥。建议最小接触压力不低于50MPa，对于M8螺栓连接，预紧力应不低于10kN。本应用中的18kN预紧力完全满足要求。

接触面粗糙度：被连接件表面粗糙度影响金刚石颗粒的嵌入效果。试验表明，Ra 1.6~6.3范围内均可获得良好效果，但Ra<0.8的光滑表面会降低互锁效应。本应用Ra≤3.2的要求在推荐范围内。

垫片覆盖范围：垫片应完全覆盖接触区域，避免局部接触应力过高。对于支耳结构，建议垫片外缘超出支耳边缘1~2mm，内孔直径大于螺栓孔径0.5~1.0mm。

多次拆装：DAOLER®垫片可重复使用，但建议拆装次数不超过3次，或每次拆装后检查表面形貌。如发现金刚石颗粒明显磨损或脱落，应更换新垫片。

4.3 技术展望

DAOLER®垫片的核心技术——纳米颗粒增强表面复合镀层——具有较大的可拓展空间：

• 颗粒材料多元化：除金刚石外，可选用立方氮化硼、碳化硅等高硬度颗粒，适应不同基体材料的匹配需求

• 基体材料系列化：针对不同温度范围，开发镍基、铜基、不锈钢基等系列产品

• 功能复合化：在保持高摩擦特性的同时，集成导电、导热、阻尼等功能

• 智能化：嵌入微传感器实现界面状态的在线监测

这些发展方向将为异种材料连接技术开辟新的可能性。

5 结论

本文针对钛合金/镁合金异种材料连接面临的界面微滑移问题，研究了DAOLER®高摩擦垫片的技术原理与工程应用，得出以下结论：

1. DAOLER®垫片基于纳米金刚石颗粒的“嵌入-互锁”机制，可在18kN预紧力条件下实现静摩擦系数≥0.6，比传统连接方式提高1倍以上。

2. 该垫片在真空、高低温、盐雾等典型航天环境下性能保持良好，热真空出气率满足ASTM E595要求，具备空间环境适应性。

3. 微动磨损试验表明，采用DAOLER®垫片可将界面磨损率降低至10⁻⁷ mm³/N·m以下，微动疲劳寿命提升至10⁷循环以上，有效抑制螺栓松动问题。

4. 工程应用案例验证了该技术在提高重复定位精度、降低结构重量、简化装配工艺方面的实际效益。

5. 该技术已实现全链条国产化，为解决航天等重点领域的“卡脖子”问题提供了自主可控的解决方案。

DAOLER®高摩擦垫片为异种材料连接提供了一种不改变主体结构、不增加额外重量的技术途径，在航天、航空、兵器等高端装备领域具有广阔应用前景。

参考文献

[1] 李明, 王强. 航天器异种金属连接的电化学腐蚀行为研究[J]. 宇航材料工艺, 2020, 50(3): 45-50.

[2] 张伟, 刘洋, 陈静. 螺栓连接界面微动磨损机理与控制方法综述[J]. 机械工程学报, 2021, 57(15): 125-138.

[3] 王海, 赵军, 孙立. 航天结构锁紧机构可靠性分析与试验研究[J]. 航天器环境工程, 2019, 36(4): 342-348.

[4] ASTM E595-15, Standard Test Method for Total Mass Loss and Collected Volatile Condensable Materials from Outgassing in a Vacuum Environment[S].

[5] ISO 16047:2005, Fasteners — Torque/clamp force testing[S].

[6] ISO 16130:2015, Aerospace series — Dynamic testing of the locking behaviour of bolted connections under transverse loading conditions[S].

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