等离子体调控聚合仿生界面的增强水润滑作用机理研究

提高水润滑性能是摩擦学领域的一个科技难题。以水润滑为主的生物润滑体，其表面吸附的多糖类聚合物界面具有优异的水润滑性能，为增强机械摩擦体系水润滑作用提供了重要的仿生思路。本项目针对重大装备机械动密封系统中，橡胶密封与金属平衡套构成的水润滑摩擦体系，建立模仿生物润滑界面，采用脉冲等离子体聚合技术分别在三元乙丙橡胶和不锈钢表面聚合亲水聚乙二醇（ppPEG）薄膜，研究表面成分、结构与摩擦磨损性能和疲劳性的关系，掌握ppPEG亲水结构、表面形貌和交联结构的作用规律，以及影响水润滑性能的控制因素，探明ppPEG的亲水性和界面粘附性增强水润滑作用机制，设计具有亲水结构和可控有序交联结构ppPEG的脉冲等离子体聚合方案，优化工艺条件，制备具有超亲水性和强界面粘附性的ppPEG仿生界面，研制出低摩擦系数、长耐磨寿命的水润滑的机械密封系统。

本项目针对重大装备机械动密封系统中，聚合物密封与金属平衡套构成的水润滑摩擦体系，采用等离子体聚合技术分别在聚合物和不锈钢表面聚合亲水ppPEG薄膜，探索制备具有超亲水性和强界面粘附性的ppPEG仿生界面，研制出低摩擦系数、长耐磨寿命的水润滑的机械密封系统。采用射频容性耦合等离子体，以具有亲水性–(CH2–CH2–O)–基团的乙醇为聚合单体，研究了聚合功率、工作气压等工艺参数对等离子体聚合ppPEG薄膜沉积速率、表面形貌、化学成分和润湿性能的影响，并探讨了单体等离子体聚合ppPEG机制。分别利用等离子体聚合ppPEG、氧等离子体处理和等离子体聚合复合改性ppPEG聚合物表面，研究了氧等离子体处理时间和等离子体聚合参数对等离子体聚合ppPEG薄膜和聚合物粘附性能的影响，探索了聚乙烯粘接性能的改善机制，获得具有高亲水性和强界面粘附性的ppPEG改性表面。为研究等离子体聚合ppPEG薄膜的界面粘附性增强作用机制，研究了射频容性耦合氧等离子体处理聚合物表面性质，提出了粗糙表面的时间依赖接触角模型，定量分析了等离子体改性聚合物表面的化学成分重构，解释了等离子体纳米织构化聚合物表面润湿性和粘附性控制机制。研究了机械密封用石墨、C/C复合材料和不锈钢摩擦副材料的水润滑摩擦磨损性能，在高载荷、长时间水润滑摩擦过程中，石墨和C/C复合材料均保持稳定低摩擦系数，适用于低摩擦系数、长耐磨寿命的水润滑的机械密封系统，而不锈钢材料摩擦系数较高，耐磨性能差，表现为磨粒磨损和粘着磨损机制。采用超音速火焰喷涂与载能束复合改性方法，在不锈钢表面制备了高结合强度、低内应力WC-Ni硬质合金涂层，探索了改性表面在水润滑条件下的摩擦磨损机理，为低摩擦系数、长耐磨寿命的水润滑的机械密封系统制备提供理论依据和技术支撑。在国际表面工程类核心期刊Surf. Coat. Technol.连续发表论文2篇，待发表论文3篇，申请国家发明专利1项；参加国内外重要学术会议6次，并作口头报告或墙报展示；培养硕士研究生4人，其中毕业2人，在读2人。