航空动力系统用WS2薄膜基固-油复合润滑体系的构筑及润滑效应

As development of the aviation industry, single technique of solid or liquid lubrication are no longer meet the lubricating demands of moving component for the aviation power system. The possible great change of lubricating property of single aviation liquid lubricant can be caused by periodic state transition of rich oil, oil starvation and no oil, and the variation of oil film thickness. In order to solve this bottlenecks, we will develop WS2 films based solid/lubricating oil compound lubrication with different oil film thickness for aviation power system in this project. Multielement co-doping WS2 films with different structure will be deposited by vapor deposition technique. The aviation lubricating oil will be compounded on the surface of WS2 solid lubricating films using spin-coating, assembling or other methods. WS2 films based solid/oil compound lubrication will be obtained. Then we will systematically study (1) the interaction behavior at the molecular and nanoscale level of solid/oil two phases by computer simulation; (2) the physical and chemical properties and the tribological performance of the solid/oil compound lubrication in simulation aviation harsh environment; (3) effect of the structure of solid lubricate film，chemical composition of lubricating oil and additives, the interface behavior of the solid/oil two phases and the variation of lubricating oil film on the tribological performance of this compound lubrication system; (4) deeper understanding the mechanisms of wear failure and developing the theory of prolonging life. So it can supply the theoretical basis and technical support for developing the solid/oil compound lubrication with low friction, long wear life and high reliability for aviation power system.

单一固体或液体润滑已无法满足未来航空动力系统关键运动部件的润滑需求。本项目瞄准航空领域中单纯液体润滑时存在的富油/乏油/断油状态循环转变、以及油膜的微小改变都可能引起润滑性能巨大变化的润滑设计瓶颈问题，拟开展油膜厚度变化的WS2薄膜基固-油复合润滑体系研究。通过采用气相沉积技术，制备不同结构的多元共掺杂WS2基固体润滑薄膜，利用表面旋涂或组装等方法将航空润滑油复合在固体薄膜表面，形成固-油复合润滑体系；计算机模拟固、液两相在分子、纳米尺寸层面上的相互作用，研究复合润滑体系的物理、化学特性及其在模拟航空苛刻条件下的摩擦学性能，探讨固体润滑薄膜结构、航空润滑油及其添加剂化学组成、固-油界面行为以及油膜厚度变化对固-油复合润滑体系摩擦学性能的影响规律，揭示磨损失效机理，并提出其延寿理论。为发展航空动力系统用低摩擦、长寿命和高可靠性的固-油复合润滑体系提高理论依据与技术支持。

运动部件摩擦副表面的有效润滑处理是保障部件高可靠/长寿命运行的关键条件之一。将液态的润滑油涂覆于固体润滑薄膜表面，实现固-油复合润滑，克服二者的不足，可有效降低摩擦/磨损并提高航空动力系统运动部件的使用寿命与可靠性。本课题围绕固-液复合润滑的构筑与润滑效应研究这一科学问题，采用物理气相沉积技术制备了几种具有优异性能的WS2基润滑薄膜材料，研究了制备工艺参数、掺杂元素、薄膜微纳米结构对环境适应性、机械性能与润滑效应的影响，并初步提出了固体润滑材料结构与性能之间的构效关系规律。采用适速旋转涂敷的方法，将4010等类航空润滑油复合于固体润滑薄膜表面构筑了固-液复合润滑体系，并考核了不同结构薄膜在固-液体系中的驻油功效以及环境适用性，借助计算机分子模拟，研究并阐述了不同润滑相的表界面分子的相互作用关系。结果总结如下：通过添加适量的Sb2O3并引入金属Cu纳米子层可显著改善WS2基薄膜的摩擦学性能，可在有效延长WS2-Sb2O3/Cu纳米多层薄膜耐磨寿命的同时，并保持WS2基质的减摩特性；（002）晶面的WS2 薄膜具有最大潜力的低摩擦系数特征，以及近化学计量比~2是WSx薄膜获取理想低摩擦系数的必备条件之一；WS2基润滑薄膜虽然表现出了耐高/低温交变下的高稳态性，但单一的WS2相并不可以抵抗富氧（航空近地环境，潮湿富氧环境等）对其润滑性能的侵蚀；对于疏松结构的WS2构筑的固-液复合润滑体系，疏松结构的薄膜具有储油功能，在乏油时段可释放出孔洞中储存的部分油，如此可为此阶段发挥固-液复合润滑提供油源；对于固-液相发挥润滑效应，分子模拟研究结果从深层次上理解了复合润滑体系中固/液两相协同润滑机制，揭示了不同负载条件下，固/液润滑相涂敷于摩擦对偶件两侧粗糙峰表面保护的保护作用以发挥减摩/耐磨功效的压强阀值域。本研究成果为发展准对国家航空技术领域的有效润滑处理提供了前期的理论依据和初步的技术支撑。