Явления на межмолекулярном уровне

Любое вещество или материал, помещенные в вакуум, испускают газы, т. е. происходит газовыделение материалов, о котором уже говорилось ранее. В общем случае газовыделение в вакууме складывается из трех отдельных процессов: десорбции газа, адсорбированного на поверхности твердых тел; диффузии и десорбции газа, абсорбированного твердым телом; испарения (сублимации) жидкости (твердого тела). При газовыделениях реальных тел эти процессы протекают одновременно и накладываются друг на друга (рис. 6). В табл. 2 приведено характерное время (t_m) образования мономолекулярного слоя на поверхности твердого тела при выделении (десорбции) адсорбированных им молекул воздуха.

Таблица 2

Зависимость времени образования мономолекулярного слоя для различных давлений (р) и различных значений коэффициентов прилипания (а)

Важно отметить, что скорости газовыделения в этих процессах ограничены определенным интервалом значений. Так, например, когда давление насыщенных паров испаряющегося вещества близко к парциальному давлению паров этого вещества, скорость газовыделения стремится к нулю, и наоборот, когда парциальное давление пренебрежимо мало, эта скорость близка к максимальному значению. В случае чистых (однокомпонентных) веществ количество испаряющегося (сублимирующего) вещества пропорционально увеличивается со временем. Для многокомпонентных же веществ картина существенно усложняется, и процесс испарения (сублимации) уже не подчиняется такой зависимости.

В реальном космическом вакууме процесс массопотерь нередко сопровождается химическими превращениями (например, окислением), и тогда скорость газовыделения будет определять уже не общее давление газовой среды, а парциальное давление кислорода.

В космическом вакууме встречаются условия, при которых поверхности твердых тел становятся весьма чистыми (вплоть до атомночистых¹). Данное обстоятельство может реализовываться в различных процессах: при десорбции адсорбированных газовых пленок с поверхности твердых тел; при разрушении и удалении окисных пленок в результате трения или при непосредственном контакте твердых тел, а также в результате некоторых химических и физико-химических процессов.

• Атомночистыми условно называются поверхности, у которых на 1000 атомов основного вещества встречается один посторонний атом (загрязнения).

Эффективность всех этих процессов повышается вследствие увеличения температуры в зоне контакта твердых тел из-за ухудшения теплопередачи в космическом вакууме, а также вследствие присутствия различных космических излучений, действующих на поверхностные слои твердых тел.

Надо сказать, что восстановлению защитных окисных пленок в условиях космического вакуума препятствует ряд факторов, и в первую очередь незначительное содержание кислорода, а иногда и полное его отсутствие в космическом вакууме. В результате возрастает адгезия (прилипание) веществ и материалов, в частности когезия, а при наличии больших пластических деформаций (например, вследствие трения) могут происходить заедание и холодная сварка² в точках контакта.

• Сварка называется холодной в отличие от обычной («горячей»), ибо происходит при пониженных (по сравнению с обычными) температурах.

Вспоминается такой опыт. В лабораторную установку сверхвысокого вакуума были помещены две одинаковые металлические шестеренки, введенные между собой в зацепление. Когда эта пара была приведена во вращение при рабочем давлении в установке порядка 10^-6 Па, то уже через непродолжительный промежуток времени стали ощущаться какие-то неполадки. После вскрытия вакуумной камеры обнаружилось, что вместо двух одинаковых шестеренок имеются два гладких валика (совершенно без зубьев) различных диаметров. Виновником оказалась холодная сварка, когда зубья с одной шестеренки срезались и заполняли собой впадины у другой шестеренки.

При адгезии в результате межмолекулярного взаимодействия возникает связь между поверхностными слоями двух разнородных твердых тел, когда они соприкасаются друг с другом. Частным случаем адгезии является когезия, когда соприкасающиеся тела являются одинаковыми. Адгезия значительно усиливается при полном контакте по всей площади соприкосновения, и именно это объясняет холодную сварку металлов.

Многие металлы при контактных взаимодействиях и в случае удаления защитных пленок с их поверхностей подвержены холодной сварке в космическом вакууме. Особенно это свойственно тем металлам, которые способны (по крайней мере частично) к образованию твердого раствора или сплава. Примером здесь могут быть металлы, обладающие кристаллической решеткой кубического типа.

Следует отметить, что адгезии металлов в вакууме препятствует явление адсорбции остаточных газов на контактирующих поверхностях твердых тел. Адсорбирующиеся на чистых поверхностях остаточные газы (особенно кислород и этилен) способствуют снижению эффективности действия сил, вызывающих адгезию.

Основной механизм трения в вакууме (при отсутствии смазочных пленок) — это адгезия очень малых контактных поверхностей с последующим разрушением образованных при этом адгезионных мостиков связи при сдвиге одной поверхности относительно другой. При атмосферном давлении поверхностные пленки (в частности, окисные пленки на металлах) уменьшают число и прочность адгезионных связей, снижая тем самым коэффициент трения.

Чрезвычайно низкая скорость восстановления поверхностных пленок в космическом вакууме за счет окисления, вызванная очень низким содержанием кислорода в окружающей среде, увеличивает трение и способствует большему износу материалов. На рис. 7 показана скорость восстановления окисной пленки на железе в зависимости от продолжительности пребывания в вакууме. Очевидно, что в условиях сверхвысокого вакуума (при давлении менее 10^-9 Па) восстановление окисных пленок требует внушительных промежутков времени (сутки, месяцы). На рис. 8 показана зависимость коэффициента трения от давления окружающей среды при трении скольжения алмаза по алмазу. Отметим, что критические условия устанавливаются в области давлений 10^-5 — 10^-6 Па.

Последнее касается случая «открытых» узлов трения. В случае же «закрытых» узлов трения (например, шарикоподшипников и т. п.) в них следует ожидать появления локального «микроклимата» в рабочей зоне трения, что в ряде случаев приводит к более слабому трению при работе узла в космическом вакууме. Для ослабления трения используется целый арсенал смазочных материалов: жидкие и консистентные, но чаще всего так называемые «сухие» смазки на основе дисульфида молибдена, пленок металлов и т. п.