譚桂斌,黃 興,高軍翔,張永康,田應成

(1.廣東工業(yè)大學 省部共建精密電子制造技術與裝備國家重點實驗室,廣東 廣州 510006;2.廣州機械科學研究院有限公司,廣東 廣州 510700;3.中油國家油氣鉆井裝備工程技術研究中心有限公司,陜西 寶雞 721002)

聚合物橡膠是繼石油、鐵礦和有色金屬之后，現代科技和人類生活不可或缺的第四大戰(zhàn)略資源，聚合物軟材料的摩擦磨損問題研究一直是國際上熱點方向之一.相比較于金屬、陶瓷和碳纖維復材等剛性硬材料，大多數聚合物材料的彈性模量遠低于這些硬材料的彈性模量(一般相差3個數量級)[1].目前，針對大變形軟材料摩擦過程的原位研究尚不多，由于理論模式與基礎數據匱乏，現有的摩擦學理論尚無法有效地揭示軟材料零件表面缺陷萌生、演變和裂紋擴展等的微觀損傷規(guī)律及機理.

“十三五”期間，我國高檔密封件和液壓件、精密軸承以及高端芯片等仍然依賴進口，成為國家裝備制造業(yè)“短板”瓶頸.從基礎件摩擦學的角度看，目前，我國“材料級-零件基礎件級-核心部件級-產品級”四維度的綜合測試方法與理論匱乏.針對工業(yè)環(huán)境級的測試過程單獨存在，暫缺乏統(tǒng)一的數據平臺支撐反饋設計和制造過程，而且測試專用裝備及數據平臺仍然需要進口.針對以上關鍵瓶頸難題，在本課題組已發(fā)表的研究工作基礎上[1-2]，系統(tǒng)查閱并整理了在機械零部件接觸摩擦原位測試等方面的文獻資料，進一步分析了基礎件摩擦學的共性關鍵技術和應用難點.

1 問題提出

高性能密封件和液壓件等基礎零部件元器件行業(yè)，默默呵護和支撐裝備制造業(yè)的持續(xù)發(fā)展.但是，某軍用裝備、新能源裝備及深海裝備等的服役可靠性和壽命不足，其精密設備中的軟材料密封故障約80%與摩擦磨損有關，迫切需要從宏觀-微觀跨尺度及多學科研究軟材料的接觸摩擦行為.

針對核心部件級“軟材料密封”的常見故障及失效(停機拆解)，發(fā)現大約80%失效原因來自摩擦和磨損，“黑箱”條件下出現了缺陷萌生、裂紋、分層剝落和點蝕等現象，如圖1(a)所示.圖1(b)中軟材料密封副包含了橡膠摩擦學系統(tǒng)問題，它與宏觀參數、微觀特征、運行工況、環(huán)境介質及潤滑液膜等多個因素相關.圖1(c)中“軟材料密封”的接觸摩擦載荷psc，它是粗糙峰微觀接觸壓力pcn與液膜壓力pf兩者之和.總之，采用簡單的“改進材料技術”無法確保“高性能密封產品”，從基礎件摩擦學的角度，應該探究流-固-熱-動多物理場動態(tài)耦合時軟接觸潤滑機理，它迫切需要針對摩擦界面的在線測試新技術和新裝備等方面研究.

Fig.1 Schematic diagram of soft material sealing friction圖1 軟材料密封摩擦的示意圖

2 接觸摩擦原位在線測試的概況

2.1 國外研究進展

2.1.1 接觸摩擦界面的光學可視化測試

1881年24歲的德國科學家Hertz在物理學家兼導師Helmholtz的鼓勵下發(fā)表了經典論文《論彈性固體的接觸》(On the contact of elastic solids)，開創(chuàng)了接觸力學這門學科，Hertz接觸理論解決了無摩擦表面及理想彈性固體的接觸問題.在1950年，劍橋大學卡文迪許(Cavendish Laboratory)實驗室Bowden和Tabor教授經過系統(tǒng)的試驗研究，提出了微凸體黏著摩擦理論，也首次提出固體表面粗糙度和真實接觸率的重要性，開啟了現代接觸力學的篇章.1960年末，劍橋大學Tabor教授和博士生Roberts開展汽車雨刮器的橡膠條接觸摩擦和黏著研究，將光干涉技術應用在橡膠/玻璃之間軟接觸區(qū)的液膜測量中[3-4]，膜厚測量分辨率約10 nm級(采用光學級光滑的橡膠)，但是該研究未考慮橡膠自身粗糙度的影響.1973年，Israelachvili[5-6]提出將等色序條紋(Fringes of equal chromatic order,FECO)方法應用于表面力儀，此后，Israelachvili教授與合作者研制了多型號表面力儀，利用等色序條紋FECO方法可直接測量云母薄片試樣間的納米潤滑膜厚度(垂向精度0.1 nm)，但是必須在云母薄片試樣背面鍍有銀膜(厚度約20 nm，半透，反射率高達95%)，近幾十年，表面力儀逐步推廣用于膠體、界面科學、納米摩擦學和生物芯片等領域.1963年，Gohar和Cameron[7]利用光干涉技術進行鋼球/玻璃盤的點接觸區(qū)膜厚測量，首次在線觀測了帶有出口頸縮的經典“馬蹄形”彈流潤滑油膜形狀；Westlake和Cameron[8]在1967年提出采用玻璃盤附加二氧化硅斜墊層的方法，實現高分辨率超薄油膜厚度測量；此后十年，才開啟了點接觸區(qū)潤滑的理論解析和模擬研究.1970～1980年，英國學者以電容、電阻和X射線等技術進行了彈流潤滑膜厚測量和探索，然而分辨率較差.

1987年，Spikes課題組[9-10]的潤滑膜厚納米級測量技術，使用了光學性質與潤滑膜相近的Al2O3薄膜在玻璃盤的表面制成斜墊層，使得光干涉法能測量的潤滑膜厚度首次達5 nm以內；1996年，Spikes團隊[11]發(fā)展了研究彈流接觸區(qū)的新技術-墊層圖像法(Space layer imaging method,SLIM).1997年，捷克Hartl課題組[12]提出了比色干涉測量法(Colorimetry interferometry)，通過計算機進行色度對比以獲得潤滑膜的厚度.從1990年末，得益于計算機和信息傳感技術等的快速進步，英國Spikes課題組應用了斜墊層光干涉技術和激光誘導熒光技術等改進研發(fā)的納米級超薄層膜厚測量儀(Optical measurement of very thin lubricant films)，實現了鋼球/玻璃盤的點接觸載荷0～0.7 GPa，或者陶瓷(鋼)球/藍寶石盤的載荷0～3 GPa，潤滑介質溫度最高150 ℃等苛刻條件下膜厚測量；自2010年起，Spikes團隊與斯凱孚公司、殼牌公司和聯合利華集團等企業(yè)組建了摩擦學技術中心，固定科研人員60余人，十余年來進行航空航天軸承、高鐵軸承、風電軸承和密封件等的摩擦學研究，前沿理論與核心技術成果作為企業(yè)核心機密(極少以論文發(fā)表或公開報道).以大型跨國企業(yè)需求牽引的“摩擦學創(chuàng)新聯合體”，促進了工程摩擦學創(chuàng)新鏈條前后端聯系的緊密性、知識服務的動態(tài)性和風險共擔的多元性等.

2.1.2 橡膠軟材料的摩擦潤滑原位測試

從2010年起，Myant[13-14]課題組和Spikes課題組等[15-16]與企業(yè)合作，提出了適合于軟材料接觸區(qū)的激光誘導熒光方法，研究PDMS橡膠球與玻璃盤之間的潤滑液膜厚度，得到了低黏度下水潤滑條件的接觸形狀和液膜厚度等.試驗中采用硬質BK17玻璃盤(室溫下彈性模量65 GPa，泊松比0.24，光學折射率1.517，表面粗糙度低于2.1 nm)與PDMS橡膠球(在超精密光學模具內固化成形，球直徑為25.4 mm，平均表面粗糙度為10.24 nm，室溫下彈性模量為3.8 MPa)，尤其是透明玻璃和橡膠的表面無需任何納米級鍍膜，能夠測量300 nm以內的納米級液膜厚度，測量裝置如圖2(a～b)所示，用以開展人工關節(jié)軟骨、水潤滑橡膠軸承和密封件等變速過程潤滑成膜特性研究.

此后，Spikes課題組和Dini課題組[17-18]針對聚合物摩擦中的潤滑成膜、數值計算和仿真分析等研究，將柔軟潤滑區(qū)膜厚的數值分析結果與試驗結果進行了比對，采用了透明聚氨酯圓盤(厚度10 mm，附加鍍鉻膜厚約30 nm；橡膠表面粗糙度4 nm以內，彈性模量為1.85 GPa，泊松比0.48)及PMMA有機玻璃盤(厚度10 mm，附加鍍鉻膜的厚度約30 nm；表面粗糙度4 nm以內，彈性模量為3.3 GPa，泊松比0.39)，硬質摩擦對偶為鋼球試樣(彈性模量為210 GPa，泊松比0.3).如圖2(c)所示，分析了高彈性橡膠試樣(彈性模量約1～10 MPa)易發(fā)生變形失穩(wěn)，難以附加制成光學鍍膜，無法進行光干涉下潤滑膜厚測量.如圖3所示，Dwyer-Joyce課題組[19]使用超聲測量技術，揭示了橡膠軟材料/有機玻璃之間的潤滑成膜規(guī)律與特性，丁腈橡膠圓球試樣的表面粗糙度約0.59 μm(球直徑19 mm，室溫下橡膠彈性模量8.59 MPa)，試驗測量了橡膠摩擦的潤滑膜厚約1～6 μm左右，將膜厚測量結果與數值解析結果進行比對和驗證.

Fig.2 Diagram of in-situ observation at elastic frictional contact by Spikes’s group [16,18]圖2 Spikes課題組的軟材料摩擦界面在線觀測示意圖[16,18]

Fig.3 Diagram of in-situ measurement at rubber/glass contact by Dwyer-Joyce’s group[19]圖3 Dwyer-Joyce課題組研制的膜厚在線測試系統(tǒng)[19]

法國學者Deleau和Koenena等[20]開展了汽車雨刮的橡膠圓柱面/玻璃之間水膜厚度、形態(tài)和分布等的在線觀測研究，如圖4所示，在玻璃盤附加鍍有10 nm厚度鉻膜與200 nm厚度Al2O3膜之后的表面粗糙度約5 nm以內(室溫下硬質玻璃彈性模量約106 GPa，泊松比0.17)，橡膠圓柱面表面粗糙度約1 μm(橡膠彈性模量約6 MPa，泊松比0.5)，試驗測試了干燥、薄水膜和厚水膜等狀態(tài)的雨刷效率、摩擦系數以及噪聲等規(guī)律；發(fā)現了在薄層水膜條件下，濕摩擦系數的變化對滑移速度非常敏感.在2006～2009年期間，以色列Etsion課題組[21-25]開展了光滑圓球與透明玻璃之間較大載荷時摩擦界面原位觀測的研究，對硬質鋼球(銅球)或塑料圓球的彈塑性接觸早期形變、加載/卸載接觸和微動摩擦原位在線分析等，施加擠壓載荷近250 N，采用了顯微觀測、數字圖像二值化和摩擦試驗機等技術相組合，開展了硬質接觸的、無潤滑介質的真實接觸率及特性研究.

在2010～2014年，Sawyer課題組及德國于利希研究中心Persson課題組等合作[26-29]采用了顯微觀測、機器視覺和微摩擦測量儀等技術相結合，施加載荷1 N以內，如圖5所示，使用了PDMS橡膠球(室溫下彈性模量約2.2 MPa，球半徑為3.175 mm以內，平均表面粗糙度4 nm以內)及硬質玻璃盤(彈性模量約106 GPa，表面粗糙度2.1 nm以內)構成了柔軟接觸區(qū)，開展了微小區(qū)域的摩擦原位觀測、溫度場測試及黏滑行為測量等的作用機制研究，成果得到航天航空、醫(yī)療器械、隱形眼鏡、預灌封注射器及密封件等行業(yè)推廣及應用.從2015年起，在德國科學基金會(Deutsche Forschungs gemeinschaft，DFG)資助的重大課題DFG PE 807/10-1，DFG HE 4466/34-1與MU 1225/36-1等的資金支持下，由意大利Scaraggi教授、德國Persson教授與亞琛工業(yè)大學流控研究所Murrenhoff教授等合作[30-31]，將軟材料分形粗糙表面的微觀接觸理論及Persson接觸力學理論等拓展到橡膠往復密封及其泄漏機理研究中，并應用于飛機作動器和高端裝備油缸等的密封產品行業(yè).

2.2 國內主要研究動態(tài)

2.2.1 摩擦潤滑界面原位在線研究

1979～1981年，溫詩鑄作為訪問學者被派往英國帝國理工Cameron的摩擦學課題組學習.1980年，溫詩鑄團隊利用光干涉、紅外輻射和高速攝影等技術研究彈流潤滑膜厚、壓力分布和溫度場特性等，將熱彈流完全數值解和試驗結果開展比對驗證.1991～1994年，溫詩鑄和雒建斌課題組[32-34]用單色光的“相對干涉光強法”成功研制了NGY-Ⅱ納米量級潤滑膜厚測試儀，并揭示了納米級薄膜潤滑機理(Thin film lubrication,TFL)，如圖6(a)所示，膜厚測量精度為0.5 nm，水平方向的分辨率為1 μm，是當時世界上同類儀器中最高的分辨率.2004～2008年，雒建斌教授與博士生劉書海和馬麗然等[35-36]改進和研制了NGY-Ⅵ納米級潤滑膜厚測量儀，其具備了加溫組件、外加電場和球/盤滑滾精準控制組件等，光學測量組件主要包含了顯微鏡、濾光片、圖像傳感器、圖像采集卡、計算機和光源等.從2012年起，雒建斌、郭丹和梁鶴等[37-40]利用光干涉相對光強法進行了最高速度為42 m/s時潤滑膜厚的在線測量以及100 m/s速度下潤滑摩擦力的實時監(jiān)測，理論模型和基礎數據，為國產化燃氣輪機和航發(fā)的潤滑設計提供參考.為了研究納米間隙潤滑劑分子行為及物化特性，如圖6(b)所示，雒建斌課題組[41-42]研發(fā)了由相對光強干涉系統(tǒng)和拉曼顯微鏡組成的原位在線測試系統(tǒng)，使用鋼球(表面粗糙度Ra為3.3 nm)與石英盤(Ra為2 nm)組成點接觸區(qū)，探索納米間隙內潤滑劑中分子極性對分子取向及分子行為的影響，可指導潤滑劑分子結構的設計和配制.上述文獻可發(fā)現，利用相對干涉光強法在線測量摩擦副的潤滑膜厚與潤滑形態(tài)時，仍然有工程局限性，如圖6所示，鋼球或陶瓷球樣品需納米級拋光(表面粗糙度大約0.5～6 nm)，其透明玻璃與藍寶石盤樣品在附加鍍膜之后的表面粗糙度通常為0.3～3.5 nm.

Fig.4 Diagram of in-situ observation at wiper/glass contact by Koenena group [20]圖4 Koenena課題組研制的汽車雨刮橡膠/玻璃間在線觀測系統(tǒng)[20]

進入21世紀以來，將摩擦學引入計算機磁頭、磁盤與芯片晶圓拋光領域時，清華大學雒建斌課題組[43-44]采用了熒光納米顆粒示蹤方法，建立起微弱熒光顯微示蹤測量系統(tǒng)，開展了微小區(qū)域內含納米顆粒固液二相流體的速度測量和納米顆粒運動狀態(tài)的觀測研究；清華大學雷均和郭丹等[45-47]在線觀測模擬化學機械拋光(Chemical Mechanical Polishing,CMP)過程中熒光二氧化硅顆粒的運動與形態(tài)，采用硬質藍寶石盤/玻璃片及柔軟多孔洞的聚氨酯拋光墊擠壓形成軟接觸區(qū)，利用熒光顆粒示蹤技術搭建了化學機械拋光觀測系統(tǒng)[圖7(a)]及拋光后顆粒清洗去除觀測系統(tǒng)[圖7(b)]，發(fā)現軟接觸區(qū)中納米級顆粒對表面的運動方式有滑動、滾動和碰撞等的規(guī)律.

Fig.5 Diagram of in-situ observation at rubber/glass contact by Sawyer’s group[26]圖5 Sawyer課題組[26]的摩擦接觸在線測試系統(tǒng)

此外，青島理工大學郭峰等提出了潤滑膜厚測量的多光束干涉強度分析法，將二色干涉法應用于潤滑膜厚及摩擦力的同時測量；2010年沈萬輝等[48]模擬測量了人工滑液關節(jié)軟骨界面的潤滑膜厚，運用了高彈性PMMA滑塊(PMMA材料透光率高達92%，以厚度200 nm金膜鍍膜之后的滑塊工作面粗糙度約4 nm，平面度約50 nm)及玻璃盤(加鍍鉻膜和二氧化硅膜，反射率控制在20%左右，表面粗糙度約4 nm)相互的面接觸式摩擦.2018年黃巍等[49]應用了二色干涉膜厚測量儀，以PDMS橡膠滑塊(彈性模量1.036 MPa，泊松比0.49，表面粗糙度10 nm以內)及玻璃盤(加鍍鉻膜，表面粗糙度約4 nm)分析了帶表面織構橡膠表面的軟潤滑成膜機制.合肥工業(yè)大學劉焜和焦云龍課題組[50-51]利用表面粗糙度約7.5 μm的柔軟橡膠球樣品和表面粗糙度約0.4 nm的硬質摩擦對偶材料，也采用光學可視化技術分析橡膠軟材料接觸界面的滲逾和流動狀態(tài).

2.2.2 軟材料摩擦的原位在線研究

2010年起，在清華大學摩擦學國家重點實驗室開放課題和國家自然科學基金項目等支持下，譚桂斌等[52-54]自行研發(fā)出了動態(tài)在線測量橡膠摩擦狀態(tài)的接觸區(qū)微觀形貌及潤滑的試驗裝置，如圖8所示，將原位光學顯微鏡、數字圖像軟件及摩擦試驗臺進行組合，并利用此試驗臺研究了柔軟橡膠的彈性模量對真實接觸率的影響，進一步將橡膠表面粗糙度、界面接觸特性及接觸力學相結合，為分析粗糙橡膠接觸界面間的真實接觸面積比和摩擦規(guī)律等奠定了試驗基礎.如圖8(b)和(c)所示，譚桂斌和劉書海等[55-58]結合微弱熒光示蹤技術、顯微觀測和數字圖像技術，提出了懸浮蠟顆粒在橡膠潤滑間隙“微淤積效應”，發(fā)現了摩擦過程中柔軟點接觸區(qū)不同類型油滴鋪展的周期性黏滑效應，揭示出橡膠摩擦過程中不同類型蠟沉積物去除、正交切削以及淤積卡堵動態(tài)模型，成果得到國內外學者和企業(yè)的關注.

Fig.6 In-situ observation of lubricating film at nanoscale by Luo’s group[32-40]圖6 雒建斌課題組研制的納米級潤滑膜厚測量技術和裝備[32-40]

Fig.7 Diagram of in-situ observation at polishing pad/glass soft contact during the CMP [45-47]圖7 模擬晶圓拋光CMP工況的聚氨酯/玻璃盤間在線觀測示意圖[45-47]

Fig.8 Diagram of in-situ testing rig at rubber tribological contact[52-54]圖8 軟材料橡膠摩擦接觸的原位在線測試裝置[52-54]

從2015年起，張德坤課題組等[59-61]開展了礦井提升鋼絲繩及襯墊之間的摩擦原位在線觀測，進行了靜、動態(tài)載荷下軟材料粘彈性摩擦的實時觀測，采用了礦山常用的K25、G30和GM-3等三類摩擦襯墊制品，分析了摩擦提升機的聚合物摩擦襯墊與鋼絲繩之間黏彈接觸、磨損、潤滑及溫度變化規(guī)律.針對鋪管船張緊器的橡膠材料靜摩擦研究，王德國和周永杰等[62-63]采用了顯微觀測和數字圖像技術發(fā)現了橡膠材料黏彈性變形典型的空穴現象和蠕變變形等規(guī)律.方燕飛和黃平等[64]將光彈法應用于研究聚合物軟材料摩擦過程的應力應變規(guī)律和微觀損傷機制.然而，由于機械摩擦副的環(huán)境工況苛刻，針對極端工況、尺度和環(huán)境下各種軟材料的摩擦潤滑研究，需要國內外學者的進一步探索.

3 工業(yè)環(huán)境級軟材料密封的全尺寸測試驗證

3.1 國外的軟材料密封測試研究

密封產品正朝著“高端化、極端化、智能化、高參數和長壽命”方向發(fā)展.國外學者，如德國斯圖加特大學密封研究室Hass課題組[65-66]、亞琛工業(yè)大學Murrenhoff課題組[30-31,67-68]、英國帝國理工Nikas課題組[69-71]和美國佐治亞理工大學Salant課題組等[72-75]，各自從密封機理、仿真算法和試驗測試等方面，對工業(yè)環(huán)境級苛刻工況(往復速度10～15 m/s，寬溫域-70～250 ℃等)的彈性體密封失效及壽命進行研究.國外知名企業(yè)如斯凱孚、特瑞堡、圣戈班、NOK和派克漢尼汾等，與高校合作進行了工業(yè)環(huán)境級密封可靠性研究[76-79].1996年，由英國流體動力工程協會(British Hydromechanics Research Association,BHRA)和德國斯圖加特大學密封研究室(Institute of Machine Components,IMA)等，聯合了密封產品制造商、用戶企業(yè)及高校等，共同提出國際標準ISO 7986：1997《液壓傳動 密封裝置：評定液壓往復運動密封件性能的標準試驗方法》，其在日本工業(yè)標準的編號為JIS B2409: 2002.此后，在2013～2015年，中國機械工業(yè)聯合會和全國液壓氣動標準化技術委員會組織編制標準GB/T 32217-2015《液壓傳動 密封裝置：評定液壓往復運動密封件性能的標準試驗方法》(采標自ISO 7986：1997).

Fig.9 Sealing test platform for the various soft seals products (from Trelleborg Ltd.,etc)圖9 工業(yè)環(huán)境級柔軟密封產品的全尺寸試驗裝備(特瑞堡公司等)

2016年，特瑞堡密封技術研發(fā)中心在斯圖加特市建成了飛機起落架密封部件的長期耐久性和壽命測試平臺，如下圖9(a)所示，已完成20 000個完整的降落循環(huán)及額外的擦冰和淋水測試，模擬了空客A350飛機極端工況.其中，測試臺架的質量為18 t、總功率為260 kW，往復運動類型呈正弦波、梯形和自由形態(tài)等，模擬?60～90 ℃的環(huán)境溫度，適合直徑100～400 mm的密封件，往復速度為1 m/s，可模擬起落架在飛機剎車或極限沖擊時的側載、偏載激勵(最高達22.5 t側向荷載).如圖9(b)和(c)所示，系列化的密封測試裝備、技術及其基礎數據平臺，在歐美發(fā)達工業(yè)國家得到了大量的研發(fā)和應用.

3.2 國內的軟材料密封全尺寸試驗研究

1983年起，廣州機械科學研究院黃興課題組[80]在“六五”國家級重點攻關專項《旋轉密封結構型式和設計參數的研究》等資助下，研發(fā)設計不同回流形式的流體動力油封，用光彈法分析密封件應力和應變分布，有限元法分析密封件唇口溫度場分布，通過理論計算與臺架試驗有機結合，設計的單向斜紋溝槽式油封和正弦三角形凸臺的雙向油封產品的臺架測試壽命達到2 000 h以上，是同期普通標準型油封的5～10倍，有助于在制造業(yè)推廣應用.此后，在“十一五”國家科技支撐項目《高性能密封件關鍵技術研究》、“十二五”支撐計劃項目《大型及行走式工程機械密封關鍵技術研究與應用》等的資助下，廣州機械科學研究院[80-82]研究彈性體自密封機理和往復密封機理，運用有限元法和臺架試驗相結合方法，實現了超大型密封正向設計的技術突破，建成了旋轉軸唇封壽命與可靠性試驗平臺，如圖10(a～c).根據標準GB/T 13871.4-2007《密封件為彈性體材料的旋轉軸唇形密封圈第4部分: 性能試驗程序》，圖10(a)所示的標準型唇封測試臺可進行直徑7～200 mm、轉速為200～10 000 r/min等的密封件可靠性評價；圖10(b)所示的大尺寸唇封試驗臺，適合于巨型設備的唇封直徑160～550 mm、轉速為200～3 000 r/min等的全尺寸密封系統(tǒng)壽命評估.此外，圖10(c)所示的高速高溫旋轉軸唇封試驗臺能夠同時實現介質溫度近200 ℃、線速度最高為55 m/s的耐磨密封件全尺寸驗證分析，適合我國航空發(fā)動機與燃氣輪機、大型民機和高檔內燃機等行業(yè)需求.

2006年以來，廣州機械科學研究院自主研制了煤礦液壓支架、大型挖掘機油缸以及飛機作動器等的專用密封測試臺架[82-83]，如圖10(d～f)所示；密封行業(yè)的首個國家工業(yè)強基專項，即“十三五”的國家“強基工程(產業(yè)技術基礎) ”專項-高端橡塑密封元件研發(fā)檢測服務平臺是由黃興課題組負責和完成的，協同了國家重點工程建設單位、重大技術裝備企業(yè)以及密封件制造商等產業(yè)鏈資源，2018年6月驗收完成.2015～2019年，在國家973項目《大型飛機電液動力控制與作動系統(tǒng)新體系基礎研究》(編號：2014CB046400)等的資助下，清華大學郭飛課題組[83-84]、浙江工業(yè)大學彭旭東課題組[85-88]以及浙江大學歐陽小平課題組[89-90]等，開展了起落架收放作動筒和液壓作動器等密封件的理論和試驗研究，分析了典型飛行剖面下往復密封件失效規(guī)律，相關成果直接應用于我國航空裝備企業(yè).

Fig.10 Reliability test equipment for rubber and plastic sealing products in special environments by Huang’s group圖10 黃興課題組的特殊環(huán)境下橡塑密封件可靠性試驗裝備

4 未來研究方向與趨勢分析

4.1 共性關鍵技術的主要研究方向

聚焦于深海、深地、深空和極地等高端裝備，建議對密封一體化技術系統(tǒng)正向設計、密封材料環(huán)境適應性評價及延壽以及極端環(huán)境密封系統(tǒng)壽命保障等進行研究，重點突破密封產品穩(wěn)定性和可靠性質量控制技術難題.針對我國重大技術裝備趨于重載、大型、高可靠、長壽命和復雜服役環(huán)境等新特點，研究大變形軟材料密封件的多場耦合動態(tài)服役性能以及在磨損壽命、可靠性分析和材構性一體化設計制造領域的新原理和新方法.需開發(fā)密封配副的智能監(jiān)測、微納傳感和反饋控制技術，探索智能密封表界面與材料的設計制備方法，研發(fā)具有自修復、自存儲、自診斷等一體化功能的智能密封技術.

4.2 極端工況密封件試驗與基礎數據庫的研究方向

現代工業(yè)中很多極端和復雜的應用環(huán)境，如新型戰(zhàn)機的寬溫域超高壓(流體工作溫度-65～200 ℃，壓差約54 MPa)工況、新一代火箭貯箱中的極低溫(液氧?182.96 ℃，液氫?252.7 ℃)工況、太空軌道上的真空/輻射/高低溫工況環(huán)境、核工業(yè)中的輻射(103～108Gy/h)工況、氫能源輸送和儲運的高壓密封(140 MPa)工況以及芯片制造的專用設備(腐蝕、高溫、真空)等環(huán)境[91].應用在上述環(huán)境中的密封產品，其性能穩(wěn)定性和壽命預測成為保證工業(yè)系統(tǒng)及產品可靠性的關鍵問題.不夸張地說，一些關鍵密封件的有效性甚至能決定1個航天器(航空器)的命運，是工業(yè)發(fā)達國家的科技競爭高地.所以，面向國家重點工程，要健全極端工況、環(huán)境以及尺度下高性能密封件試驗方法、標準體系與基礎數據庫等的共性技術，為保障我國產業(yè)鏈供應鏈的安全可控，建議推動跨行業(yè)、跨地域、跨學科的密封產業(yè)創(chuàng)新聯盟的組建.

4.3 復雜工況高性能密封行業(yè)的新趨勢

文獻檢索發(fā)現，國際上重大技術裝備和關鍵零部件與材料市場大多呈現寡頭壟斷格局，存在大量專業(yè)精深、積淀深厚的標桿領軍企業(yè)和隱形冠軍企業(yè)(品牌).例如跨國集團，包括瑞典SKF公司、瑞典Trelleborg公司、法國Saint-Gobain公司、德國Schaeffler公司、美國的TIMKEN公司、日本的NSK和NTN公司，美國Parker-Hannifin公司以及德國Bosch公司等通過收購和重組等，逐步形成壟斷局面和技術壁壘，一方面占領了中國高端裝備產品的民品市場，限制出口高端高等級的密封件和液壓件以及軸承技術等；另一方面長期堅持關鍵技術不離開自己國家，通過法律法規(guī)，牢牢占據技術優(yōu)勢，實現了高額壟斷利潤，再反哺了企業(yè)內部的基礎研究資金和高素質人才隊伍.所以，需要我國科研團隊在復雜工況高性能基礎件的材料、設計、制造及試驗等技術鏈協同創(chuàng)新基礎理論研究，增強校企合作、科教融合、產教融合以及軍民融合等；需要龍頭企業(yè)、骨干企業(yè)吸引集聚國際化、專業(yè)化的高層次創(chuàng)新人才，進一步推動我國密封行業(yè)的高質量發(fā)展.

5 總結與展望

本文作者介紹了國內外學者在軟材料摩擦、橡塑密封件及全尺寸測試裝備等方面的研究、設計及應用，分析了國內外在機械零部件摩擦界面在線測試技術的研究進展.從基礎件摩擦學的角度看，從“中國制造”邁入“中國智造”仍有諸多挑戰(zhàn)，更需要廣大企業(yè)家和科技人員的不懈努力，推動“產、學、研、用”融合創(chuàng)新，需要在新技術、新方法和新產品等方面討論、實踐及交流.未來，期待有中國密封件和液壓件等企業(yè)，擁有更多自主設計研發(fā)并占有世界市場的產品.