一种润滑油液滴脱附性能优异的毛细管及其加工工艺

1.本发明涉及机械工程表面处理技术领域，具体涉及一种润滑油液滴脱附性能优异的毛细管及其加工工艺。


背景技术：

2.长寿命、高可靠性的卫星平台是我国日益增长的空间战略需求。动量飞轮是空间执行机构的重要组件。目前，受限于空间条件下轴承组件的润滑技术瓶颈，长期服役的轴承组件在润滑状态恶化后，往往会出现摩擦性能下降、摩擦力矩不稳定等问题，使得动量飞轮的设计寿命距离满足卫星长寿命需求仍有一定差距。动量飞轮的润滑问题已成为制约卫星平台技术提升的关键因素。
3.空间精密轴承组件作为动量飞轮的核心部件，其长寿命润滑技术，是空间摩擦学领域亟待开展的重要研究内容之一。开展主动微量供油技术研究，实现润滑油的持续微量供给，使轴承组件得到及时、有效的润滑，改善其服役期间的摩擦学性能，满足产品高精度、长寿命的应用需求，对我国空间技术发展具有重要价值。
4.微量供油的关键环节之一即实现微量润滑油液滴在供油毛细管出口端的顺利脱附。润滑油液滴在供油微通道出口端较短的生长周期和较小的脱附粒径，对轴承实现长期微量润滑和长寿命运行至关重要。
5.目前，受限于供油毛细管的表面特性和几何特性，润滑油液滴在其出口端的生长周期较长、脱附粒径较大。导致润滑油液滴脱附前的相当长的时间周期内，轴承组件等待润滑表面处于乏油状态，磨损加剧。而较大粒径的润滑油液滴脱附后由于不能及时铺展浸润，又导致润滑油液过剩，难以实现流体润滑效果。长期服役的轴承组件在润滑状态恶化后，往往会出现摩擦性能下降、摩擦力矩不稳定等问题，严重影响在轨产品的长寿命运转。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提供一种润滑油液滴脱附性能优异的毛细管，用以解决现有润滑油液滴在微量供油毛细管出口端生长周期长、脱附粒径大、脱附性能差的问题。
7.本发明的另一个目的是提供一种润滑油液滴脱附性能优异的毛细管的加工工艺。
8.为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
9.一种润滑油液滴脱附性能优异的毛细管，毛细管的出口端设置有内锥面，内锥面与端面夹角为15
°
～60
°
；毛细管出口端的内壁、外壁及内锥面均涂覆有疏油聚合物涂层。
10.进一步地，所述疏油聚合物涂层的干膜厚度为15～50μm。疏油聚合物涂层是通过浸涂方式涂覆到毛细管基体表面的，故涂层的干膜厚度和疏油聚合物涂料的粘度密切相关：增加有机溶剂的含量，降低涂料粘度，涂膜厚度减小；减少有机溶剂的用量，提高涂料粘度，涂膜厚度增加。浸涂后的湿膜厚度通常在20～80μm，溶剂挥发固化成型后，涂膜厚度会有所下降。
11.进一步地，所述疏油聚合物涂层由聚二甲基硅氧烷、聚六亚甲基二异氰酸酯、氟碳
树脂、过氧化苯甲酰、纳米二氧化硅和二甲苯组成。氟碳树脂为制备疏油聚合物涂层的主要成膜物质。聚二甲基硅氧烷为低表面能助剂，用于增加涂料成膜过程中的表面张力梯度，并进一步降低涂层的表面能。聚六亚甲基二异氰酸酯为交联固化剂，用于涂料交联固化成膜；过氧化苯甲酰用作树脂交联固化所需的引发剂和催化剂。纳米二氧化硅为无机填料，用于调整涂料固化成膜过程中的流变性能，在涂料固化成膜后形成微纳结构，用于改善聚合物涂层的疏油性能，提升油液接触角。二甲苯为有机溶剂，用于稀释、分散涂料中的各组分并调整涂料的粘度。
12.进一步地，所述疏油聚合物涂层包括以下质量份数的各组分：
[0013][0014][0015]
上述润滑油液滴脱附性能优异的毛细管的加工工艺，包括以下步骤：
[0016]
s1:将毛细管出口端加工出内锥面，内锥面与出口端的出口平面之间的角度为15
°
～60
°
；
[0017]
s2：配制疏油聚合物涂料；
[0018]
s3：将步骤s2中的疏油聚合物涂料涂覆于毛细管内壁面和外壁面，待疏油聚合物涂料含有的溶剂挥发后将毛细管在100℃条件下固化2h，使得疏油聚合物涂料固化为疏油聚合物涂层。
[0019]
进一步地，步骤s2中疏油聚合物涂料由以下质量百分比的各物质组成：
[0020][0021]
进一步地，步骤s2中疏油聚合物涂料的制备方法为：取配方量的聚二甲基硅氧烷和聚六亚甲基二异氰酸酯，搅拌均匀，得到硅橡胶涂料；之后取配方量的氟碳树脂和过氧化苯甲酰，搅拌均匀，得到氟碳树脂涂料；最后取硅橡胶涂料、氟碳树脂涂料和配方量的纳米二氧化硅、二甲苯，搅拌均匀，即得。
[0022]
进一步地，所述搅拌采用行星搅拌机进行搅拌。
[0023]
进一步地，将疏油聚合物涂料涂覆在毛细管内壁面和外壁面时，以浸涂的方式进行涂覆。
[0024]
本发明的润滑油液滴脱附性能优异的毛细管具有如下优点：
[0025]
图2为润滑油液滴在现有的常规毛细管出口端的生长与脱附过程的显微图片。可以看出，在重力环境中，润滑油液在常规供油毛细管出口端的生长与脱附过程可分为膨胀、爬移、下滑、颈缩和脱附等5个阶段。在初始阶段，润滑油在压力驱动下缓慢注入，并在毛细管末端膨胀形成半球形凸起的液滴雏形，随着润滑油液的不断注入，半球形液滴的直径逐渐增大，当直径增大至毛细管外壁时，润滑油液在毛细力作用下开始沿毛细管外壁向上爬移。随着润滑油液爬移高度不断增加，液滴体积逐渐变大，重力随之增加，并逐渐超过毛细力的限值，润滑油液将沿着外壁面逐渐下滑至出口端面。随着润滑油液的继续注入，液滴体积和重量进一步增加，重力效应开始凸显，液滴颈缩现象出现。随着液滴体积和重量的持续增大，液滴所受重力逐渐大于粘性力和表面张力，颈缩线变长变细，直至发生断裂，从毛细管出口端脱附。由于润滑油液被连续注入，毛细管末端残留的液体回缩成半球形，而后进入下一个循环周期。从上述膨胀、爬移、下滑、颈缩、脱附的不同阶段可以看出，润滑油液在毛细管出口端的生长与脱附过程是壁面毛细力、油液粘性力、表面张力和重力等共同作用的结果。
[0026]
由上述润滑油液滴在常规供油毛细管出口端的生长与脱附的过程可以看出，壁面毛细力的存在是产生壁面爬移和影响微液滴脱附的主要因素，其作用原理示意图如图3所示。
[0027]
本发明通过对毛细管进行表面改性进而对壁面毛细力施加影响，从而打破原有的受力状态，最终达到优化润滑油在毛细管出口端生长与脱附性能的目的。图4为润滑油滴液在本发明毛细管出口端的生长与脱附过程的显微图片。可以看出，在经过内锥面设计和表面疏油改性处理后，润滑油液滴的生长与脱附过程发生显著变化，爬移和下滑这两个阶段消失，整个生长与脱附过程演化为膨胀、颈缩和脱附三个阶段，液滴在毛细管出口端的生长周期和脱附粒径均显著下降。
[0028]
综上，在毛细管出口端加工内锥面，内锥面开口用于稳定出口端主流场，诱导液滴稳定生长和顺利脱附；并在毛细管表面进行疏油改性处理，疏油聚合物用于防止油液沿毛细管外壁面向上爬移和过度生长，促使微液滴在较小粒径下即可实现脱附。在内锥面和疏油聚合物涂层的共同作用下，毛细管外壁面对润滑油液的毛细效应减弱，壁面爬移行为逐渐减弱并最终消失，润滑油液滴在内锥面的引导下稳定生长，并在较小的粒径下实现顺利脱附，如图4所示。
附图说明
[0029]
图1为实施例1中润滑油液滴脱附性能优异的毛细管结构示意图；
[0030]
图2为润滑油液滴在对比例1的毛细管出口端的生长与脱附过程的显微图片；
[0031]
图3为润滑油液滴在对比例1的毛细管出口端的爬移行为示意图；
[0032]
图4为润滑油滴液在实施例1的毛细管出口端的生长与脱附过程的显微图片；
[0033]
图5实施例1的毛细管的疏油聚合物涂层的扫描电镜图；
[0034]
图6(a)为润滑油液滴在对比例1的毛细管表面的静态接触角显微图；
[0035]
图6(b)为润滑油液滴在实施例1的毛细管表面的静态接触角显微图。
具体实施方式
[0036]
下面将结合具体实施方案对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，但是本领域技术人员应当理解，下文所述的实施方案仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。基于本发明中的实施方案，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方案，都属于本发明保护的范围。
[0037]
下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可通过商业途径获得。
[0038]
实施例1
[0039]
本实施例的润滑油液滴脱附性能优异的毛细管，出口端设置有内锥面，内锥面与出口端的端面夹角为15
°
。毛细管出口端的内壁、外壁及内锥面均涂覆有疏油聚合物涂层。疏油聚合物涂层的厚度为15μm。疏油聚合物涂层包括以下质量份数的各物质：
[0040][0041]
本实施例的润滑油液滴脱附性能优异的毛细管的加工工艺包括以下步骤：
[0042]
s1：选取几何尺寸为φ1.2
×
0.1的304不锈钢材质金属毛细管，采用精密铣削加工方式在毛细管出口端加工出内锥面，内锥面与出口端的端面之间的角度为α＝15
°
。
[0043]
s2：按照如下质量百分比配比称取各组分原料：
[0044][0045]
按照上述配比先称取聚二甲基硅氧烷和聚六亚甲基二异氰酸酯放入量杯中，并将量杯放入行星搅拌机中，搅拌2分钟，得到硅橡胶涂料。之后称取氟碳树脂和过氧化苯甲酰放入量杯中，使用行星搅拌机搅拌2分钟，得到氟碳树脂涂料。最后将硅橡胶涂料、氟碳树脂涂料、纳米二氧化硅和二甲苯放入量杯中，使用行星搅拌机搅拌2分钟，制成疏油聚合物涂料。
[0046]
s3：在室温条件下，将步骤s2中的疏油聚合物涂料以浸涂方式涂覆于毛细管内壁面和外壁面，之后静置在通风处，等待表面溶剂挥发完，然后将毛细管放置于100℃恒温箱中固化2h，最终在毛细管表面制备出疏油聚合物涂层，疏油聚合物涂层的干膜厚度为15μm。
[0047]
实施例2
[0048]
本实施例的润滑油液滴脱附性能优异的毛细管，出口端设置有内锥面，内锥面与出口端的端面夹角为60
°
。毛细管出口端的内壁、外壁及内锥面均涂覆有疏油聚合物涂层。疏油聚合物涂层的厚度为50μm。疏油聚合物涂层包括以下质量份数的各物质：
[0049][0050]
本实施例的润滑油液滴脱附性能优异的毛细管的加工工艺包括以下步骤：
[0051]
s1：选取几何尺寸为φ1.0
×
0.1的316不锈钢材质金属毛细管，采用精密铣削加工方式在毛细管出口端加工出内锥面，内锥面与出口端的端面之间的角度为α＝60
°
。
[0052]
s2：按照如下质量百分比配比称取各组分原料：
[0053][0054]
按照上述配比先称取聚二甲基硅氧烷和聚六亚甲基二异氰酸酯放入量杯中，并将量杯放入行星搅拌机中，搅拌2分钟，得到硅橡胶涂料。之后称取氟碳树脂和过氧化苯甲酰放入量杯中，使用行星搅拌机搅拌2分钟，得到氟碳树脂涂料。最后将硅橡胶涂料、氟碳树脂涂料、纳米二氧化硅和二甲苯放入量杯中，使用行星搅拌机搅拌2分钟，制成疏油聚合物涂料。
[0055]
s3：在室温条件下，将步骤s2中的疏油聚合物涂料以浸涂方式涂覆于毛细管内壁面和外壁面，之后静置在通风处，等待表面溶剂挥发完，然后将毛细管放置于100℃恒温箱中固化2h，最终在毛细管表面制备出疏油聚合物涂层，疏油聚合物涂层的干膜厚度为50μm。
[0056]
实施例3
[0057]
本实施例的润滑油液滴脱附性能优异的毛细管，出口端设置有内锥面，内锥面与出口端的端面夹角为45
°
。毛细管出口端的内壁、外壁及内锥面均涂覆有疏油聚合物涂层。疏油聚合物涂层的厚度为33μm。疏油聚合物涂层包括以下质量份数的各物质：
[0058][0059]
本实施例的润滑油液滴脱附性能优异的毛细管的加工工艺包括以下步骤：
[0060]
s1：选取几何尺寸为φ1.2
×
0.1的304不锈钢材质金属毛细管，采用精密铣削加工方式在毛细管出口端加工出内锥面，内锥面与出口端的端面之间的角度为α＝45
°
。
[0061]
s2：按照如下质量百分比配比称取各组分原料：
[0062][0063][0064]
按照上述配比先称取聚二甲基硅氧烷和聚六亚甲基二异氰酸酯放入量杯中，并将量杯放入行星搅拌机中，搅拌2分钟，得到硅橡胶涂料。之后称取氟碳树脂和过氧化苯甲酰放入量杯中，使用行星搅拌机搅拌2分钟，得到氟碳树脂涂料。最后将硅橡胶涂料、氟碳树脂涂料、纳米二氧化硅和二甲苯放入量杯中，使用行星搅拌机搅拌2分钟，制成疏油聚合物涂料。
[0065]
s3：在室温条件下，将步骤s2中的疏油聚合物涂料以浸涂方式涂覆于毛细管内壁面和外壁面，之后静置在通风处，等待表面溶剂挥发完，然后将毛细管放置于100℃恒温箱中固化2h，最终在毛细管表面制备出疏油聚合物涂层，测得疏油聚合物涂层的干膜厚度为33μm。
[0066]
对比例1
[0067]
本对比例是几何尺寸为φ1.2
×
0.1的304不锈钢材质金属毛细管，出口端未设置夹角，且未涂覆疏油聚合物涂层。
[0068]
试验例1
[0069]
对毛细管进行表面表征：在扫描电子显微镜下对实施例1中的毛细管表面的疏油聚合物涂层进行表面表征和分析，结果如图5所示。
[0070]
试验例2
[0071]
接触角测量：采用表面接触角测量仪对pao-10型航天级润滑油在改性前后的毛细管材质表面进行接触角对比测量，结果如图6所示。
[0072]
从图6中可以看出，对比例1的毛细管未涂覆疏油聚合物涂层，pao-10型航天级润滑油在其表面的静态接触角为23
°
。实施例1的毛细管，经疏油改性后，pao-10型航天级润滑
油在其表面的静态接触角增大至94
°
。实施例2的毛细管，经疏油改性后，pao-10型航天级润滑油在其表面的静态接触角增大至116
°
。疏油处理显著提升了毛细管表面的疏油性能。
[0073]
试验例3
[0074]
脱附性能对比验证：采用微量供给泵，将pao-10型航天级润滑油沿毛细管以4mm/s的流速连续微量泵给，采用高速摄像机拍摄润滑油液滴在毛细管出口端的生长与脱附行为。
[0075]
如图2所示，对比例1的毛细管，出口端未加工内锥面，未进行表面疏油处理，润滑油液滴的生长周期约为23.7s，液滴脱附时的粒径为2.56mm。且液滴在生长过程中存在明显的向上爬移过程，液滴颈缩脱附后在毛细管外壁面残留有润滑油液。
[0076]
如图4所示，实施例1的毛细管，出口端加工有α＝15
°
内锥面、经表面疏油处理，接触角为94
°
，润滑油液滴的生长周期约为15.2s，生长周期缩短了36.7％；液滴脱附时的粒径减小为2.21mm，脱附粒径降低了13.7％；且液滴在生长过程中未出现沿毛细管外壁向上爬移的现象。这说明本发明中的毛细管具有良好的润滑油液滴脱附性能。
[0077]
试验例4
[0078]
脱附性能对比验证：采用微量供给泵，将pao-8型航天级润滑油沿毛细管以3mm/s的流速连续微量泵给，采用高速摄像机拍摄润滑油液滴在毛细管出口端的生长与脱附行为。
[0079]
对比例1的毛细管，出口端未加工内锥面，未进行表面疏油处理，润滑油液滴的生长周期约为27.3s，液滴脱附时的粒径为1.98mm，且液滴在生长过程中存在明显的向上爬移过程，液滴颈缩脱附后在毛细管外壁面残留有润滑油液。
[0080]
实施例2的毛细管，润滑油液滴的生长周期约为12.7s，生长周期缩短了53.5％；液滴脱附时的粒径减小为1.53mm，脱附粒径降低了22.7％。液滴在生长过程中未出现沿毛细管外壁向上爬移的现象，微液滴沿内锥面引导逐渐生长膨胀并在较小的粒径下顺利脱附。说明本发明中的毛细管具有优异的润滑油液滴脱附性能。
[0081]
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。