0 前言

极端条件又称极端环境或极端工况，通常是指机械材料的使役工况中的某项或多项条件极其苛刻，远远超出同类材料性能极限的材料应用工况条件。对机械装备用材料而言，典型的极端条件即“三高、一特殊”工况。“三高”是指以高速、高低温、高载荷为代表的机械部件的苛刻运行条件；“一特殊”是指机械部件所处的特殊环境或介质情况，如空间环境、核辐射环境、特殊气氛、强场或强粒子流环境、液体介质环境和多相流介质环境等^[1-3]。对于机械材料而言，极端条件是一个相对概念，具有材料相对性和时间相对性。材料相对性是指某些条件对一些材料是极端条件，但对另外一些材料又不是极端条件，如 400℃对高分子材料是极端条件，对金属材料则不是；时间相对性是指极端条件是与对应时期材料和机械的发展水平密切相关的。随着技术的不断进步，极端环境向越来越苛刻条件发展，一些过去对某些机械材料被认为是极端条件的情形，随着技术的不断进步，现在已经不再是什么难题了，如一些航空航天工程所使用的材料等。

表面工程是近 50 年以来迅速发展起来的材料表面强化或改性技术^[4-5]。表面工程着眼于材料的表面，通过对材料表面的再设计和制造，用物理或化学方法改变材料表面的组成和结构，使其被赋予不同性能或功能的科学技术^[6]。通俗表述，表面工程是所有材料表面处理技术的总称，发展到现在，主要包括表面薄膜技术^[7-8]、表面涂层技术^[9]、表层改性技术^[10]三个方面。通过表面工程，材料的表面性能（往往是应用性能）发生变化。例如，可以使材料表面具备装饰性^[11]、改善材料表面的防护性（如防腐性等）^[12]、强化材料表层的机械力学性能^[13]、赋予材料表面新的功能等^[14-16]。对于机械装备而言，最重要的材料表面性能之一是摩擦磨损性能，由于摩擦和磨损是材料表面之间的相互作用，所以材料的表面性能对其摩擦磨损性能有最直接的影响。利用表面工程技术，赋予表面自润滑性能、改善表层材料的耐磨损性能，是现代先进制造对表面工程提出的迫切需求，也是润滑耐磨表面工程研究急需解决的难题^[17]。

润滑和耐磨问题是所有高技术装备所面临的共性问题，润滑耐磨表面工程技术是解决相关问题最有效途径之一。以航空航天为代表的现代高端装备的运行工况越来越苛刻、运行环境越来越复杂、对部件的寿命等性能要求越来越高，即所谓的工况极端化、环境复杂化、性能极致化要求对极端条件润滑耐磨表面工程技术提出了越来越高的要求，高极限性能润滑耐磨表面工程技术在高技术装备领域正日益发挥着不可替代的重要作用。在极端条件下，材料的摩擦磨损性能呈现与常规条件完全不同的特点。常规润滑材料（如润滑油脂）寿命急剧缩短，已不适宜解决极端条件下的摩擦学问题，摩擦副精度保持和稳定运行能力急剧下降，非正常润滑和磨损失效问题严重，并可能导致严重的后果。如空间技术关键运动部件在空间原子氧、宇宙射线和超高真空环境下的润滑失效已成为制约空间装备寿命和可靠性的瓶颈^[18-19]；航空发动机和飞机关键运动部件在高温、高速、高负载条件下的润滑和磨损失效会导致各类等级事故，直接影响到飞行安全；核电技术反应堆机械急需发展安全可靠的高温抗强辐射、耐特殊气氛或介质的润滑材料等^[20]。因此，有必要强化极端条件润滑耐磨表面工程技术的研究，在共性关键技术突破的基础上，发展适用于极端条件的高性能润滑耐磨表面工程技术，其作用和意义主要体现在如下几个方面：

（1）极端条件润滑耐磨表面工程技术的研究和应用对象大多涉及国家重要军事领域或国家重大尖端科技前沿，例如航空航天领域、重大军事装备等。鉴于敏感的应用背景，发达国家对相关研究成果和技术都采取了极其严格的保密措施，属重点封锁技术，借鉴或引进的可能性极小。而相关技术又为国家所急需，因此研究成果对国家贡献巨大。

（2）极端条件润滑耐磨表面工程技术研究所涉及的工况条件的苛刻程度远超过常规条件，现有的常规条件摩擦学理论已不能指导解决极端条件下的摩擦学问题，其中许多科学问题从理论到技术都还不清楚，研究工作极具挑战性，易于产生一批原创性的、具有自主知识产权的成果，研究工作具有不可替代性。

（3）为现代机械的先进设计和制造奠定技术基础。一些“先进”的设计，没有高极限性能润滑耐磨表面工程技术作为保障而往往无法付诸实施，如各类发动机离不开高温润滑防护涂层、航天技术离不开各种类型的空间润滑材料等。随着新型装备设计工况的越发苛刻和对其可靠性和寿命要求的不断提升，极端条件润滑耐磨表面工程在技术上的突破往往能够给高技术装备设计带来革命性的变化，使一些过去依靠旧材料难以实现的先进设计成为现实。

（4）解决制约重要装备可靠性和寿命的“瓶颈” 难题。极端条件润滑耐磨表面工程技术的应用部位往往也是现代高技术装备系统失效故障的多发部位，局部的润滑和磨损失效问题常常成为控制装备系统寿命和可靠性的技术“瓶颈”，一些重要的装备甚至可能因润滑和磨损失效而导致灾难性的事故后果，相关实例不胜枚举。因此，开展极端条件润滑耐磨表面工程技术的研究，发展适应于特定工况的长寿命高可靠性润滑耐磨表面工程技术，将对提高装备整体的寿命和可靠性具有十分重要的意义。

1 极端条件润滑耐磨表面工程研究进展

鉴于极端条件润滑耐磨表面工程研究在高技术应用方面的重要意义，近年来，相关研究受到了国内外的广泛重视，国内多家单位开展了极端条件表面工程技术的研究，并取得了系列应用成果。本文以中国科学院兰州化学物理研究所在极端条件润滑耐磨表面工程方面的研究为代表，重点就关键共性技术突破和取得的典型应用成果，概述了在相关领域取得的一些进展情况。

1.1 利用涂层表 / 界面组成及结构设计与控制技术解决空间环境原子氧损伤问题

固体润滑涂层一直是解决航天零部件空间润滑与防护的有效途径之一，由于其较低的摩擦因数和较宽的使用温度范围，在空间领域中的应用日益广泛。但近年来，随着我国空间站、探月工程等航天装备的快速发展，对空间装备提出了高可靠、长寿命的使用需求（由 3～5 年延长至 8～15 年），因此相关零部件也急需解决在空间环境下的长效润滑及防护问题。空间复杂耦合环境（原子氧、紫外及电子、真空）是低轨道空间中对航天器外露材料危害性最大的环境因素，严重影响航天器的性能和寿命^[21-23]。

2008年9月，“神舟七号飞船固体润滑材料空间环境试验项目”在轨搭载固体润滑样品暴露试验结果表明，有机粘结固体润滑涂层在经过约 43.5 h 的空间暴露试验后（原子氧、紫外光、高低温）（在轨飞行 43.5 h 的原子氧通量为 1.86×10¹⁹ atom / cm²），相应空间环境破坏了树脂对润滑剂的包覆，涂层表面发生明显变化，摩擦因数升高。由于暴露时间较短，侵蚀深度只有 50 nm（图1）。

针对空间站和神舟、天舟系列飞船对接任务满足更长寿命服役的要求，开展了模拟空间环境（3.5 个月）对粘结固体润滑涂层性能影响的研究。具体试验条件按照在轨 3.5 个月计算，紫外辐照总剂量为 85.4 kJ / cm²，原子氧辐照总剂量为 3.4×10²¹ atom / cm²，带电粒子辐照总剂量为 0.46×10⁶ rad （Si），实际还包括以上紫外、原子氧、带电粒子共同作用的综合辐照环境。从 XPS 能谱元素（图2a） 和 EDS 表面元素含量（表1）变化可以看出，相对于未辐照的样品，经带电粒子和紫外辐照后，各元素价态和含量变化不大；经原子氧和综合辐照后，涂层表面 C 元素谱峰强度含量降低，O、S、Mo 元素谱峰强度和含量升高。以上试验说明，在原子氧作用下，涂层表面结构被破坏，树脂中的 C 元素发生氧化，部分产生 CO₂ 可挥发物质，降低了表面 C 元素含量，使得更多的 MoS₂润滑剂暴露，被氧化成 MoO₂ 和 MoO₃；从摩擦学性能来看（图2b、2c），空间环境辐照对摩擦因数的影响不大，但是对涂层耐磨寿命有显著影响；经过空间辐照后，涂层的耐磨寿命均有一定程度的下降，其中综合辐照和原子氧辐照后，涂层的耐磨寿命下降最显著，降低了近 40%。

国内外研究者尝试多种方法来解决空间复杂耦合环境对材料的侵蚀效应，如：采用物理气相沉积 （Physical vapor deposition，PVD）技术、溶胶凝胶等多种不同方法在基体表面制备无机防护涂层，虽然其具有很好的空间环境适应性，但由于涂层较脆，会产生裂纹或者剥落，为氧原子提供了侵蚀通道；采用环境适应性较好的有机硅涂层进行防护，虽然在空间环境暴露过程中有机硅涂层会与氧原子反应在表面形成一层氧化硅，可阻止空间辐照对涂层的进一步侵蚀，但在长期暴露过程中表面会产生裂纹等缺陷，导致失效。为了防止原子氧（Atom oxygen，AO）等空间辐照对无机氧化物涂层下基体产生的侵蚀，以及避免有机硅涂料防护效果不佳的缺点，目前相关研究主要集中在新型防护涂层以及对空间材料进行改性。有机-无机杂化材料制备的涂层由于其具有的独特性能，有望克服上述两种涂层的缺点，是当前研究的重点，尤其笼型倍半硅氧烷（Polyhedral oligomeric silsesquioxane，POSS）以其独特的优点引起人们极大的兴趣。VERKER 等^[24] 采用POSS 和聚酰胺酸合成制备了POSS / 聚酰亚胺杂化材料，经过空间飞行试验，表明该材料具有优异的空间环境适应性。

研究团队利用具有特殊结构单官能团 POSS 的表面迁移及多官能团 POSS 的区域选择交联，实现了对涂层表 / 界面组成及结构的设计与控制。如图3 所示，一方面通过引入多官能团的氨基 POSS 与聚酰胺-酰亚胺（PAI）树脂形成“星型”结构，增加了基础树脂体相中的集中交联点，提高了基础树脂的物理机械综合性能，改善了涂层摩擦磨损性能，同时 POSS 中未反应基团可进一步与润滑填料表面接枝，形成保护层，避免填料的氧化；另一方面通过单官能 POSS 的引入，在树脂体系中形成了“挂珠”效应，基于其易迁移特性，其在涂层表面富集，不仅降低了涂层的表面能，减少了黏着磨损，提高了涂层摩擦磨损性能，而且涂层在氧原子辐照条件下，表面富集的 POSS 氧化生成了一层无机氧化硅层，能有效抑制空间环境各种辐射对涂层的损伤，从而达到长效防护的目的^[25]。

图4 给出了改性与未改性涂层在氧原子辐照前后的摩擦磨损性能对比，由图可见，POSS 的引入可有效改善涂层在大气及空间环境下的摩擦磨损性能。改性后涂层在大气环境及真空环境中的摩擦磨损性能显著提高，按在轨 15 年累积辐照后（其中原子氧总累积量为 7.83×10²⁶ 个 / m²、紫外总辐照量 3 844 kJ / cm²、电离总剂量 2×10⁸ rad、摩擦磨损测试条件参照国军标 GJB3032-97），涂层的真空摩擦因数不大于 0.03，真空磨损寿命不小于 6×10⁵ rad，摩擦磨损性能优于辐照前。结合图4、5 来看，相对于辐照前，辐照后涂层表面 PAI 组分发生氧化降解产生 CO_x和 NO_x等挥发性气体，部分 MoS₂氧化为 MoO₃，涂层的表面结构被破坏，导致表面变得松散，主要由 MoS₂ 和 MoO₃ 组成，在真空摩擦过程中，直接和MoS₂ 对磨的对偶球上很快形成 MoS₂转移膜，使摩擦因数下降。而由 POSS 改性的涂层，由于 POSS 的引入，辐照后表面覆盖一层由 SiO_x形成的网状结构，导致初始摩擦因数较高，同时降低了表面 MoS₂ 的氧化程度，使得摩擦过程中转移膜快速形成，提高了涂层的摩擦磨损性能。

通过以上涂层表 / 界面组成及结构的设计与控制，有效延长了涂层在空间复杂耦合环境下的摩擦磨损寿命，突破了适用于空间环境的高性能润滑防护涂层设计制备的关键技术瓶颈，为空间环境下机械部件表面的长效润滑防护提供了切实可行的解决途径。结合型号任务对润滑涂层耐磨性、耐冲击性、耐腐蚀性、耐温性能、存储性能以及工艺适应性方面的要求，研制了多种牌号的空间技术用粘结固体润滑涂层，填补了国内空白，形成了具有自主知识产权的产品，解决了我国载人航天、月球探测、长寿命卫星等空间装备可靠性和长寿命的关键技术难题，为国家航天事业的发展做出了突出贡献。

1.2 高强高韧基础树脂的设计与制备解决长寿命高承载涂层基础树脂难题

树脂是涂层的基础原料，树脂性能很大程度上决定了涂层的基本性能。我国大型飞机的设计寿命远远高于国内现役飞机型号，因此很多机上运动部件，如升降舵、发动机操纵机构、主起落架、活塞、阀门、反推装置等均对高承载长寿命高可靠性润滑耐磨涂层提出了迫切需求，要求涂层的各项性能达到代表国际最高水平的美军标MIL-PRF-46010的要求。润滑涂层的承载能力和磨损寿命与基础树脂的性能密切相关，而现有的润滑涂层由于基础树脂强度与韧性难以统一的矛盾，均存在耐磨寿命较短及承载能力不足等缺点。针对上述问题，研究工作围绕涂层中多元、多相、多尺度表界面结构设计及构效关系、提出了以氧化石墨烯为母体，多面体低聚倍半硅氧烷（POSS）和聚天门冬氨酸（PASP）为表面修饰剂，具有“板-锚”及“板-钉”特殊纳米结构的补强树脂的设计和制备方法；同时还设计合成了结构可控的有机树脂增韧用遥爪性聚合物端羟基聚丁二烯（HTPB）及端羧基聚丁二烯（CTPB） 液体橡胶的制备方法。在上述工作的基础上突破了涂层高强高韧基础树脂制备的瓶颈，解决了可满足美军标的高承载长寿命固体润滑涂层设计制备的关键技术问题。

1.2.1 “板-锚”型补强功能填料的设计制备技术

以氧化石墨烯（Graphene oxygen，GO）作为母体，在其周围接枝可以深入到树脂内部且能起到固定作用的改性剂 POSS 作为锚，而氧化石墨烯与 POSS 之间存在的分子链作为其连接作用的 “锚绳”，通过这种“板-锚”结构将氧化石墨烯片层固定在树脂体系中，可以有效提高基础树脂的物理力学性能，使其兼具强韧特性。基于上述设想，通过酰胺化反应将 POSS 共价键接枝到 GO 纳米片上，获得了理想的“板-锚”状 POSS-GO 纳米功能填料，同时利用分子动力学模拟研究了 “板-锚”状 POSS-GO 在树脂中的自固定效应，提出特种纳米结构材料与聚合物之间的相互作用机理（图6）。

在上述工作的基础上，进一步将制备的 POSS-GO 成功引入到聚酰亚胺（Polyimide，PI）树脂中，系统研究其对 PI 树脂的力学性能和摩擦磨损行为的影响。研究发现，POSS-GO 与树脂前驱体及树脂均呈现非常好的相容性（图7a～7d），“板-锚”状纳米片不但能与 PI 进行化学键合，而且能通过“板-锚”结构将片层固定于树脂体系中，这种强界面结合可以有效促进外界压力在 PI 与 POSS-GO 之间的传递，进而赋予纳米复合材料较强的力学性能。图7e、7f 分别呈现了 GO / PI 与 POSS-GO / PI 复合物材料的应力应变性能对比，由图可见，随着 GO 和 POSS-GO 的含量增加，这两种材料的拉伸应力和抗张性能都得到明显提高，但相比于 GO，POSS-GO 的补强效应，即在增韧及增强方面表现更为突出。而这种补强的效果在基础树脂的摩擦磨损性能上也表现更为显著，图8 给出了 PI、GO / PI （0.5wt.%）、POSS-GO / PI 涂层磨痕的三维形貌、摩擦因数和磨损率对比。由图可见，相比较于纯 PI 和 GO / PI 涂层，具有“板-锚”特殊结构的 POSS-GO 补强后的基础树脂的摩擦磨损性能均有显著提高，磨损率可下降一个数量级，说明具有“板-锚”状特殊结构的 POSS-GO 纳米填料通过其在树脂中的自固定增强效应可有效提高基础树脂的物理力学性能^[26]。

1.2.2 “板-钉”型补强功能填料的设计制备技术

利用聚天门冬氨酸（PASP）自聚合反应在氧化石墨烯片层上通过共价键引入“钉”状聚合物与石墨烯母片复合构成“板-钉”型结构，通过调控聚合物在反应物中的含量，可实现对“钉”尺寸大小的有效调控。由图9 可见，聚合物颗粒在氧化石墨烯片层表面的分布较为均匀，且“钉”状聚合物颗粒尺寸随聚合物含量增加而逐渐增大，形成微观结构可控的“板-钉”状 PASP-GO 复合物。在此基础上，进一步将尺寸不同的复合物填料加入 PI 基础树脂中，较小的“板-钉”有更明显的补强效果。图10a、 10b 给出了不同“板-钉”大小及添加量对树脂的拉伸强度和断裂伸长率影响，添加量为 0.25wt.%的 （PASP / GO（1））能显著提高树脂的物理力学性能，其拉伸强度和断裂伸长率相对于树脂本身分别提高了 74.9%和 42.6%（图10c），具有显著的补强增韧作用，这主要是由于“板-钉”状 PASP / GO（1）上氧化石墨烯表面“钉子”尺寸较小，片层与树脂之间空间位阻较小，因此 PASP / GO（1）不但能通过“钉子”PASP 富集物与树脂结合，而且氧化石墨烯片层上剩余的活性官能团也能与基体树脂相互结合，宏观表现为补强效果最佳。图11 给出了大小不同的“板-钉”结构与 PI 树脂相互作用的机理图，图中 PASP 富集物用红色小球表示，富集物上与 PI 树脂反应的活性基团用蓝色小棒表示。其中 PASP 在氧化石墨烯的表面富集生长如同在氧化石墨烯“板” 上长出许多“钉子”一样，这些“钉子”的外层含有许多可以与 PI 树脂相互作用的活性位点。其中个头较小的“板-钉”状纳米复合结构由于其空间位阻较小，复合颗粒分布密度较高，与树脂有效结合的作为位点更多，整体断面形貌呈现花瓣状小尺寸、多分布的断裂波纹形貌。随“板-钉”结构尺寸的进一步增大，相应的分布密度减小，导致相应的补强效能减弱^[27]。

1.2.3 遥爪型聚合物制备及复合增韧技术

聚合物材料韧性大小取决于其吸收冲击能量大小和抵抗裂纹扩展的能力，为了增加材料韧性，常添加遥爪型液体橡胶进行增韧。液体橡胶可通过其活性端基（如羟基、羧基、氨基等）直接参与树脂的固化反应，在树脂的固化过程中，部分橡胶从机体中析出，以分散相的形式分散于连续的树脂机体中，形成“海岛”结构。当试样受到冲击时，会产生微裂纹，这时橡胶颗粒跨越裂纹界面，阻止裂纹的扩展，同时橡胶形变过程中要吸收大量能量，从而提高材料韧性。作为遥爪型聚合物的液体橡胶，其活性基团类型（端基或侧链）及官能团分布对基体树脂性能的影响极为明显，通常要获得良好的增韧效果，要求所制备的遥爪型聚合物理想结构为每个分子含有两个活性官能团，并且分布在分子链两侧端部，这主要是双官能团分子链与树脂反应使分子链扩链的原因，对基础树脂的延伸率贡献最大。三官能团及三官能团以上的液体橡胶对聚合物的拉伸强度贡献较大，这是因为在聚合物固化过程中，交联点增多导致交联网络密度增大，致使拉伸强度高，而单官能团则导致基础树脂力学性能降低。

研究过程中，委托中石油兰州石化公司研究院定向合成了高分子量的端羧基聚丁二烯（CTPB）遥爪型聚合物，显示出对环氧等常规树脂更为优异的增韧性，使树脂韧性成倍提高，解决了长寿命高承载涂层的韧性难题。

本文围绕多元、多相、多尺度表界面结构的设计及构效关系，研发了以氧化石墨烯为母体，多面体低聚倍半硅氧烷（POSS）和聚天门冬氨酸（PASP） 为表面修饰剂，具有“板-锚”及“板-钉”特殊纳米结构的补强功能填料的制备技术；采用阴离子及自由基聚合的方法，设计并合成了结构可控的 HTPB、CTPB 两种遥爪型液体橡胶增韧剂的制备方法。在上述工作的基础上，突破了高强高韧基础树脂制备的瓶颈，解决了可满足美军标 MIL-PRF-46010 的高承载长寿命固体润滑涂层设计制备的关键技术难题，进一步通过与润滑剂及功能填料的复配，发展了系列具有自主知识产权的高性能固体润滑涂层产品，如典型的 HM1700 高承载长寿命固体润滑涂层材料，性能已部分超过国外同类产品，如长耐磨寿命（负荷 4 450 N 耐磨寿命不低于 450 min）、高承载性（承载能力不低于 11 200 N），并具有良好的耐腐蚀性能（100 h 盐雾试验和亚硫酸／盐雾），已成功应用于航空装备各种系统的机械零件，如升降舵、主起落架、发动机操纵机构、活塞、阀门和反推装置等，解决了其在苛刻工况下运行以及高精度、高可靠性和长寿命要求，填补了我国该类材料空白，达到了国际先进水平。

1.3 宽温域自润滑涂层的结构设计方法和性能自适应调控技术

室温～1 000℃宽温域自润滑耐磨涂层在航空、航天、核、金属冶金和加工等领域具有广泛应用背景和重大应用需求，是制约这些领域中高温运动系统可靠性、使用寿命和运行效率的关键瓶颈之一。特别是近年来，随着工业技术的迅猛发展，机械装备服役温度越来越高，高温润滑和磨损失效问题也越来越突出。以航空发动机为例，提高推重比的有效途径，一是提高燃烧室的温度，二是减少各级压气机的摩擦（磨损），降低压力损失，其中高温润滑问题是技术关键。目前推重比为 10 的发动机刷密封箔片、转轴、涡轮导向叶片、涡轮外环、涡轮盘、火焰稳定器和调节片稳定器等关键运动部件的工作温度达到 800～1 000℃。这一方面要求润滑涂层的使用温度也必须越来越高，另一方面要求润滑涂层能够在室温到 1 000℃的宽温度范围内实现连续可靠和多循环润滑，即宽温域自润滑，以适应发动机启动-工作-停车过程中零部件经历的室温-高温（1 000℃）-室温的温度交变要求和多次使用要求。然而，高温是材料最苛刻的工作环境，在热 / 力 / 环境交互作用下，材料会发生元素扩散、氧化、高温相变、熔融、腐蚀等表界面动态演变，导致材料性能下降和失效。高温下材料结构演变及其与性能关系规律的研究是当今最具挑战性的科学问题之一，也是国际材料学和摩擦学领域研究的热点和难点。因此，如何实现固体润滑涂层在宽温域范围内具备润滑、耐磨性以及高温防烧粘性能，是实现其在高温领域广泛使用的技术关键。研究工作由涂层的表 / 界面优化入手，充分利用多场耦合作用下表界面动态演变，实现涂层表面组成及微结构对不同温度做出响应，突破传统润滑涂层对环境和工况自适应的关键技术难题，实现温度交变条件下涂层自润滑性能的可逆循环。

1.3.1 基于多组元功能填料复配协同作用的宽温域自润滑涂层技术

一般而言，作为功能填料的固体润滑剂对温度都很“敏感”，特定类型的润滑剂都有自身适用的温度范围，尤其在粘接涂层体系中，由于要满足附着、柔韧等涂层的基本性能要求，润滑功能填料的添加量受到严格限制。因此，如何在有限的添加范围内实现涂层在宽温域环境中的有效润滑是一项亟待突破的关键技术难题。相关研究创新性地通过在粘接涂层体系中建立润滑功能填料的组配设计方法，利用温度变化及摩擦反应调控涂层的组成及结构变化，自发激活对应的润滑机制，使涂层在室温～800℃的宽温域范围内均具有良好的摩擦磨损性能（图12a）。研究发现，Ag / MoS₂ 有良好的协同润滑作用，在温度条件诱导下通过摩擦化学反应可原位生成 Ag₂MoO₄ 润滑相，能有效改善涂层宽温域范围内的摩擦磨损性能 （图12b）^[28]。在此基础上，进一步优化设计了石墨 / MoS₂ / CeF₃ / Ag 复合润滑体系，在中低温下，石墨 / MoS₂ / CeF₃ / Ag 复合体系的减摩抗磨性能得益于多组元润滑剂之间的协同润滑效应； 高温段时，由温度计摩擦条件诱导润滑功能填料反应生成了 Ag₂MoO₄、Ag₂Mo₄O₁₃ 及 CeO₂（图12c），有效改善涂层在高温环境下的润滑特性，使其磨损率降低到 10⁻⁵ mm ³ ·N⁻¹ ·m⁻¹ 数量级^[29]。

1.3.2 氧化铬宽温域自润滑涂层设计制备和多循环自适应、自修复技术

在宽温域涂层方面，项目团队提出针对简单组分的氧化物涂层，通过元素扩散和高温相变的主动设计与控制，发展新型宽温域自润滑涂层的构想。采用离子镀在 Ni 基高温合金上制备氧化铬涂层，利用高温退火处理实现对基体中 Ti 和 Cr 元素扩散和氧化的控制，在涂层表面形成高度约 1 µm、由 Cr₂O₃ 和 Cr_xTi_yO_z 复合相组成的类网状凸起结构 （图13）。这种特殊组份和结构赋予涂层从室温到 1 000℃范围内优异的润滑耐磨性能，全温度范围内摩擦因数小于 0.30，磨损率在 10⁻⁶ mm ³ /（N·m）量级，且经过室温到 1 000℃多次高低温循环，其润滑性能保持不变（图14）。类网状凸起结构形成后非常稳定，在 1 000℃高温下其结构和形貌也不会发生变化（图15b、15c），一旦类网状结构遭到破坏，在 1 000℃下会重新生成（图15d～15f），使涂层具有高温磨损的自修复性能，延长了涂层的耐磨寿命^[30-31]。与传统宽温域自润滑涂层相比，氧化铬涂层本身为氧化物，熔点高，耐高温性能好，可在宽温域内保持成分和结构不变，避免了因高温氧化而导致润滑失效的问题，解决了高低温交变使用工况下涂层多次循环使用的瓶颈问题。同时涂层组成元素单一，制备工艺简单、稳定、可控。

研究工作基于多组元功能填料协同复配技术实现了固体润滑涂层在宽温域范围内的连续润滑，解决了固体润滑涂层在宽温域范围内连续润滑的关键技术问题。相关成果形成了具有自主知识产权的产品，研制的 PHP 系列产品已成功应用于航空发动机的高温滑动部件、铰接内套、内球铰等零件和山东石岛湾 20 MW 全球首座高温气冷堆商用示范核电站的控制棒系统组件中，解决了相关零部件的高温润滑失效技术难题，相关技术达到了国际领先水平。此外，基于氧化物扩散的温度自适应润滑涂层已成功应用于航空发动机高压涡轮箔片、刷丝、指尖密封用阻尼垫和背板阻漏减摩垫等零部件，解决了这些零部件在高温（800℃）、高速（305 m / s）、高压差（1 MPa）下的摩擦磨损问题，使用寿命提高到 500 h 以上。

1.4 特殊介质环境下涂层表界面设计与体系相容性调控技术

现代机械装备中，如液压传动、燃油控制、活塞缸套等，其诸多运动部件在特殊介质中使用，在介质、摩擦及苛刻工况的耦合作用下，相关零部件发生严重腐蚀和磨损，不仅导致装备可靠性降低，甚至无法实现系统设计性能。因此，系统研究涂层与液体介质间的匹配性、相容性、浸润性及运动部件所处工况等对固-液协同效应的影响，在此基础上实现涂层在特殊介质下的表界面设计及与体系相容性的有效调控，确保良好的固-液复合协同作用，以提升润滑材料的综合性能，是实现涂层在苛刻工况下长期有效润滑的关键。

1.4.1 原位合成纳米颗粒技术

在特殊介质环境下具备优异润滑防护性能的固体润滑涂层，一方面需要采用耐介质性能较好、交联密度高和极性适宜的树脂作为涂层的粘结剂，提高涂层在特殊介质下的物理力学性能，减少介质对涂层侵蚀及溶胀；另一方面需采用固体润滑剂与功能性润滑填料的复合提高涂层的摩擦学性能，鉴于石墨在少量凝聚蒸汽（有机气体或水蒸气）下具有优异的摩擦学性能，软金属润滑剂 Ag 在重载条件下具有良好的延展性及摩擦学性能，通过使用石墨 / Ag 复配作为主要功能填料，可显著提高涂层在液体介质和重载条件下的使用寿命。但是 Ag 比重大易沉降、质软难分散，导致在涂层中难以均匀分散，无法实现涂层最佳性能。因此如何解决 Ag 在涂料中的均匀稳定分散问题成为该类涂层制备的关键。

在本项目中，创新性地提出利用原位合成的方法来改善 Ag 在涂层中均匀分散的稳定性，通过添加柠檬酸银（银纳米粒子的前驱体），利用前驱体在涂层加热固化的同时原位生成纳米颗粒，不仅有效改善了银纳米粒子在涂层中的均匀分散稳定性，同时借助于其较高的表面活性增加了银纳米粒子与粘结剂树脂之间的界面结合力，改善了涂层的致密性和物理力学性能（图16），使涂层耐介质性能显著提高^[32]。表2 给出了涂层在不同介质中浸泡后的理化性能，改性后的涂层具有优异的耐介质性能，在不同介质环境下均具备良好的物理力学性能。

1.4.2 涂层表界面微纳结构的可控制备技术

固液复合润滑是有效提升固体润滑涂层摩擦磨损性能、改善润滑可靠性的技术关键之一，但相关技术涉及不同体系的相容性问题。其中，液体介质在涂层表面的浸润性是关键因素之一。通过化学修饰微 / 纳米颗粒表面，改变其亲水 / 亲油状态，调控不同介质与固体涂层的浸润性是解决问题的重要方向。研究工作针对航空发动机燃油泵轴承，设计合成了疏水亲油的硬脂酸铜微米颗粒和十八烷基三氯硅烷修饰的纳米二氧化硅颗粒，并通过改变微／纳米颗粒的添加量及多重喷涂工艺将硬脂酸铜微米颗粒和十八烷基三氯硅烷修饰的纳米二氧化硅颗粒镶嵌在涂层界面，实现了对固体涂层表面微观结构有效调控（图17），提高了固体润滑涂层在液体介质下的磨损寿命，研制的涂层在 RP-3 航空煤油介质下的耐磨性达 10～25 km / µm，摩擦因数稳定在 0.10 左右（表3）。

利用上述技术，开发出了具有完全自主知识产权的固液相容高性能固体润滑涂层，已成功应用于四代航空发动机、大型运输机发动机、大型客机发动机验证机、大型宽体客机的燃油泵，以及船舶发动机活塞群、鱼雷发动机齿轮泵等重要部件，提高了装备的使用寿命和可靠性。在四代航空发动机上使用，其寿命可达 3 000 h。

在突破极端条件表面工程关键技术的基础上，所研发的系列固体润滑涂层材料总体性能达到国内外同类产品先进水平，实现具有自主知识产权的高性能固体润滑涂层系列材料的自主生产，在相关领域增强与国外同类产品的竞争力，突破高技术领域中受制于人的“卡脖子”关键核心技术。项目成果已成功应用于国家航空、航天、能源和先进制造领域，打破国外对我国的技术限制壁垒，促进相关领域的技术发展，取得显著的经济和社会效益。

2 极端条件润滑耐磨表面工程研究的未来发展

瞄准国家高技术装备未来发展对高极限性能润滑耐磨表面工程技术的需求，梳理出需要重点突破的领域，明确相关领域的发展方向，是一件很有意义但也很有难度的工作。我们根据近期国家重大任务的情况，尝试对这一方面进行初步分析（图18），认为未来极端条件表面工程所关注的方向应从尺度角度重视极大和极小，也就是超大型装备和微纳机械；从环境角度应关注深海和深空；从温度角度应重视极端高低温；从性能角度既突出单一性能又重视多功能一体；当然作为极端条件表面工程研究，也不能忽视其他极端条件和要求，如超高速、极端重载、强能场、绿色智能、超长寿命等。概括而言，极端条件表面工程的未来发展方向应该适用于更苛刻工况、具有更长使用寿命和更高可靠性、具备更多功能一体化，实现使用工艺多样化。

研究工作的基本思路是：聚焦现代装备对极端条件润滑耐磨表面工程技术的需求，围绕材料表层制备技术、材料表面组成与结构设计、材料表面性能评价技术、高技术装备工程应用技术等极端条件润滑耐磨表面工程高技术工程应用的四个方面，凝练关键科学技术问题，突破若干极端环境表面工程技术共性关键技术难题，发展具有高技术工程应用价值的极端条件润滑耐磨表面工程技术，满足高技术应用需求。

针对学科特点、现阶段发展水平和未来发展要求，所凝练的极端条件润滑耐磨表面工程高技术应用研究的关键科学问题是：多场多因素耦合极端条件下多元多界面表层材料的构效关系、性能演化及可控制备。这里多场是指力、声、热、电、磁场等，多因素是指载荷、速度、辐照、介质、化学、温度等。拓展内涵包括：极端环境表层材料的摩擦磨损使役行为和损伤机理、极端环境多元多界面表层材料的结构设计、制备与性能调控、极端环境表层材料延寿原理与方法。在上述科学问题的框架下，目前发展超极限性能润滑耐磨表面工程技术所需解决的两个关键技术问题是：多元润滑耐磨表层材料精细结构设计和可控制备；多场多因素耦合极端条件性能评价和试验技术。这两个关键技术问题，前者是目的，后者是前提，只有解决好前提问题，才能够实现目的。

2.1 多场多因素耦合极端条件摩擦磨损模拟试验评价条件

如前所述，平台条件是研究工作的基础，尤其对于极端条件表面工程研究而言，目前相关模拟试验评价条件欠缺，是阻碍相关研究取得突破的主要瓶颈。考虑到现阶段和未来工作的需要，目前急需建设的极端条件摩擦磨损模拟试验评价条件包括： ①建设多种极端条件摩擦磨损试验条件，尤其是台架模拟试验条件，以准确评价在特定极端条件下材料的应用性能；②探索单一或多场多因素耦合极端环境摩擦磨损试验方法和测量技术，从根本上改变多因素极端条件模拟评价试验设备欠缺，无法准确评价多因素极端条件材料摩擦磨损性能的问题；③建立极端条件材料摩擦磨损试验标准，包括国军标、国家标准、国际标准等，只有建立了统一的标准，才能规范材料试验评价技术，实现不同时间、地点的评价结果的横向和纵向对比。相关领域的发展趋势是从单一因素简单极端环境试验装置向多场多因素耦合复杂极端环境试验装置转变，其中能够模拟真实条件的台架试验装置及建立评价标准是重点。

2.2 极端条件表层材料润滑耐磨行为和损伤作用机理的研究

发展高极限性能润滑耐磨表面工程技术的前提是认识极端条件表层材料润滑耐磨行为和损伤机理，只有对极端条件表层材料润滑耐磨行为和损伤机理理解到位，才能对如何发展高极限性能润滑耐磨表面工程提出有价值的方案。在相关研究方面，我们认为有四个方面的研究需要加强：①若干典型表层材料在特定极端环境下的摩擦学行为研究；② 典型表层材料摩擦、耐磨服役行为多尺度演化机理； ③极端条件表层材料表界面动态强耦合损伤行为与规律；④极端环境表层材料润滑耐磨性能数据库。以上四个方面的研究，将深化人们对极端条件表层材料摩擦行为和损伤机制的认识，为适用于极端条件下的润滑耐磨表面工程技术提供解决方案奠定基础。

2.3 极端条件润滑耐磨表层材料的设计、性能调控与制备技术

在前面极端条件表层材料作用和损伤机理研究的基础上，提出极端条件润滑耐磨表层材料的设计、性能调控准则并完善表面工程制备技术是国家高技术装备制造的要求，也是极端条件润滑耐磨表面工程研究的主要目标。针对这一目标，我们梳理的几个方面的研究内容如下：①润滑耐磨表层材料的构效关系规律解析；②多元多相多尺度润滑耐磨表层材料的结构设计与调控；③极端环境表层材料润滑耐磨性能调控；④极端环境多维度多尺度表层材料制备技术；⑤极端环境润滑耐磨表层材料设计新原理与新方法探索。上述研究内容也是我们解决极端条件润滑耐磨表面工程难题需要攻克的技术难题，相信在国家高技术领域需求的牵引下，极端条件润滑耐磨表面工程技术必将获得新的突破。

2.4 极端条件润滑耐磨表面工程技术的服役性能与工程应用

满足国家高技术领域应用需求，实现重大工程应用，是极端条件润滑耐磨表面工程技术研究的最终目的。根据国家最新需求的情况，近期需要解决的工程应用需求难题主要包括（不限于）：①抗空蚀表面技术及高压高速柱塞泵工程样机制备与性能考核；②航天超低温、自适应长寿命润滑耐磨表面工程技术的应用； ③航空发动机高温高速润滑耐磨技术应用；④舰载机减摩耐磨耐蚀润滑技术应用；⑤抗辐照耐腐蚀自润滑功能一体化表面技术工程应用。以上需求涉及航空、航天、船舶、核能、先进制造的方方面面，属于亟待攻克的卡脖子关键技术。相关问题的解决不仅有助于推进极端条件润滑耐磨表面工程技术，而且对于国家在重大工程领域的技术进步具有重要意义。

3 结论与展望

极端条件是高技术先进制造领域遇到的特殊条件，材料在极端条件下具有完全不同的服役行为。极端条件下的磨损和润滑失效不仅给国家造成重大经济损失，而且阻碍高技术进步。高性能润滑材料是解决极端条件摩擦学问题的重要材料，我国在相关材料研究和工程应用方面已有一定基础，前期工作已取得较大进展，解决了一些高技术领域极端条件的重大润滑和失效技术难题，已初步建立了发展高极限性能润滑材料的平台，为进一步发展奠定了良好的基础。着眼未来，在相关领域我们还有许多工作要做，如何部署好进一步的工作，事关学科发展的科学目标是否准确及国家目标能否正确体现。预计通过相关领域的进一步研究，有望解决极端条件高极限性能润滑抗磨材料的基础科学问题，建立适应极端条件的摩擦学基础理论体系，产生一批对国家高技术重大工程和重要国防装备具有保障作用的摩擦学 （润滑、抗磨、减摩）材料表面工程制备技术，为航天、航空、信息、国防装备等高技术领域中提高运动部件和系统的寿命、精度和效率等性能指标，节约能源和资源提供新的理论指导和技术支持。

参考文献