基于机械驱动传感装置关键部件的表面油润湿仿生改性与可靠性研究

Based on the insufficient research of oily wetting associated with lubrication, the requirement of solving practical problems and the recent advances of oily superwetting materials and our group’ work, this project “the exploration on biomimetic modification oily wettability and reliability of critical component of mechanical sensors” is proposed. Key components of mechanical sensing devices refer to the commonly used engineering materials, such as monocrystalline silicon, high performance titanium alloy, widely used 304 type stainless steel and wear-resistant PTFE/Nomex blended fabric composites with high-strength. Our key works will be fallen on the biomimetic fabricating oily superwetting engineering materials, revealing the change of oil wetting behavior and the anti-creep characteristics when they possess different surface microstructures, chemical composition and under different working conditions (pressure, curving contact and the wear and deformation of substrates, etc.). On this basis, we try to reveal the interactions among preparation technology, structure components, oily wettability and its mechanism of reliability. It can be expected that this project can provide important experimental and theoretical references which can serve the further understanding of interactions between oily wettability and lubrication, and the reliable oily wettability under harsh working conditions.

针对机械驱动传感部件油润湿与润滑关联的研究较少和解决实际问题的需要，结合水润湿与水润滑关系、超亲/疏油材料制备的最新进展和所在课题组的研究基础，本项目拟开展机械驱动传感装置关键部件的表面油润湿仿生改性与可靠性研究。根据研究问题特征，机械传感装置关键部件可凝练为机械传感常用基底材料，如单晶硅、高性能钛合金、广泛使用304型号不锈钢和耐磨高强度PTFE/Nomex混纺纤维织物复合材料。以这些工程材料为基底，仿生制备超亲/疏油材料，分析表面微观结构特征、化学组分、模拟不同工况条件下（压力、曲面和基底磨损形变等）油润湿行为变化与防爬行特征。在此基础上，揭示超亲/疏油机械传感材料的制备工艺-结构成分-润湿性能的相互影响关系与可靠性机理。为解决机械传感部件的油润湿与润滑内在联系和苛刻工况服役条件下油润湿可靠性的实际问题提供重要的实验和理论参考依据。

油润湿材料的可靠性是制约机械驱动传感装置关键部件材料服役稳定性的关键因素之一，摩擦磨损等原因造成表面微观结构的破坏，降低表面的粗糙度，减弱了表面的疏油与传感性能；表面磨损等会造成表面功能层的损耗，表面化学组成的改变将导致油润湿与传感性能的破坏。针对这些问题，本项目主要研究内容和取得的结果如下：（1）WO3系列硬质耐磨材料的优化设计，制备与润湿性能表征。在单晶硅、钛合金、陶瓷管、304型不锈钢网和耐磨高强度PTFE/Nomex 混纺纤维织物复合材料基底上制备WO3，WO3@CuO和WO3@PDA@CuO系列特殊润湿材料功能涂层。利用多种表征技术手段协同分析了该多元材料的表面微结构和化学成分，利用接触角测量仪研究不同基底表界面润湿性能。（2）系统研究了苛刻工况条件下润湿稳定性与防爬行防滑移防跌落特征，苛刻工况条件包含了压力、曲面和基底磨损形变，高温，紫外光辐照等极端环境。（3）探索并初步揭示了超亲/疏油机械传感材料的制备工艺-结构成分-润湿传感性能的相互影响关系与可靠性机理。利用传感分析装置研究了对微量有机气体的传感探测能力。研究结果显示WO3以及二元WO3@CuO和三元WO3@PDA@CuO材料具有纳米尺寸效应，复合界面处对传感功能效率具有决定性的影响，性能表征结果符合实验预期设计目标。（4）先后设计制备了分级MoS2，MoS2/SnO2/CNF等多功能材料，研究了润湿传感润滑综合性能。研究结果表明MoS2润滑材料可成功用于极性与非极性液体分离，MoS2/SnO2/CNF涂层可同时应用于液相环境（分别为水和PAO4）下疏气泡，有机气体传感探测和基础润滑油添加剂等领域。项目执行期间，培养本科生研究生13名，项目支撑研究成果已发表学术论文18篇，以本项目批准号为第一标注在Nanoscale, Chemical Communications, Journal of Colloid and Interface Science, Materials Letters等学术期刊上发表论文16篇，其中SCI收录14篇。以第一作者申请国家发明专利2件，目前处于国家知识产权局实质审查中。