1.超低磨损固体自润滑界面开放系统热力学研究

以PTFE为代表的聚合物基固体自润滑材料具有低摩擦，低释气，长工作温度区间等优良的材料特性，特别适合作为航天工业关键摩擦副的主要或支撑材料。本单位叶家鑫教授围绕近十年涌现出的新型超低摩擦磨损PTFE基复合材料（Al2O3/PTFE, PEEK/PTFE等）的材料改性，摩擦磨损特性，转移膜抗磨机理和工业应用评估展开了较为深入的研究，成功制备出干摩擦条件下同时具有超低磨损（10-9mm3/Nm）与低摩擦系数（0.1）特性的多种PTFE基纳米复合材料，并初步实现材料摩擦磨损特性的主动可控，并有望在新一代航天设备关键摩擦副中应用。

超低磨损固体自润滑界面是一类广泛应用于航空航天、能源化工、国家大科学装置等关键设备与行业里的关键工程界面，其摩擦学设计主要聚焦于维持干摩擦界面动态磨损率长时间低于 10^-8-10^-6 mm³/Nm 运行，从而可以维持数年无需维护，大幅降低设备维护和运行成本。由于材料流失发生在极小的微纳尺度上，体系受界面力、热、材料和第三体的影响很大，其稳态磨损属于非平衡态热力学定义的一类不稳定定态, 在环境气氛和第三体结构等因素变化时磨损率会大幅增高，且涉及到机械、物理、化学等多种耦合作用机制。以纳米氧化铝颗粒填充聚四氟乙烯（Al₂O₃/PTFE）超低磨损固体自润滑界面为例，其形成机理涉及聚合物纤维化、填料聚集引起的表面强化、磨屑细化和界面摩擦化学反应引起的界面结合强化等，宏观上这些机理协同作用的结果是在摩擦界面上形成了致密、高吸附性、高覆盖率的摩擦膜。然而，以热力学的观点看，摩擦膜中大量微纳磨屑在界面间循环流动作为界面能量与物质耗散途径，有效地进行系统能量的耗散与并控制了系统熵增速度，是超低磨损界面形成的深层原因。因此，建立相应的磨屑动力学分析模型，对深入理解机理并以此开展摩擦学调控十分关键。

2.高效钛合金切削加工液

钛合金作为具备独特优越性的航空航天材料需求量与日俱增，但是钛合金的切削加工十分具有挑战性，主要问题是刀具磨损快，刀具和工件的粘着磨损严重，影响了产品加工精度。合肥工业大学摩擦学研究所徐玉福副教授项目组研制了一种新型高效钛合金切削加工液，其润滑、冷却性能优异，在钛合金切削加工过程中，切削液能有效渗入刀具与工件之间参与润滑，防止在切削压力的作用下刀具和钛合金材料相互亲和、产生咬合、粘刀，从而起到预防粘着磨损的作用。该钛合金切削加工液，不仅能够减少切削摩擦力，提高工件光洁度，减少碎屑沾附，而且稳定性好，成本较低，具有温敏性。

3. 下一代可重复使用火箭涡轮泵轴系支撑技术

近年来，美国、法国等表示要为其下一代可重复使用火箭涡轮泵研发液膜轴承方案，例如法国国家宇航局LPX验证机项目。本单位许吉敏博士与西安航天动力研究所联合开展了类似研究，形成了一定的技术成果：以流体动压液膜轴承为基础方案，尝试通过引入静压液膜力、超导磁悬浮力、弹性箔片解决普通液膜轴承方案启停阶段摩擦磨损严重的问题，提出了磁液优势互补、启停磨损性能与高速振动稳定性综合较优的新型超导磁液复合轴承；建立了热粘磁性能分析模型，研究了复合轴承的润滑力学特性；建立了复合轴承支撑下的涡轮泵转子系统快变过程动力学模型，研究了涡轮泵整机信息下液膜轴承动力学性能，并在国内首次进行了超导磁液复合轴承的高速试验研究。

图1 （a）超导复合轴承结构及（b）超导可倾瓦结构示意图

图2 （a）超导磁液复合轴承高速试验台结构图及（b）试验过程图

合肥工业大学摩擦学研究所

2019年12月26日