超低磨损固体自润滑界面开放系统热力学研究

Ultra-low wear solid lubrication interface is an advanced tribological surface that can greatly increase the maintenance interval and life span of machineries and reduce environmental pollution. Ultra-low wear, like super-lubricity, is a thermodynamically unstable non-equilibrium stationary state which could be easily disturbed by changes of interfacial force, heat flow, material property and tribofilm to produce thermodynamic bifurcations and wear increase. Based on the tribofilm's crucial role as an interfacial mechanical barrier and thermodynamic dissipation structure, this study proposes to investigate the macro- and micro-laws of wear debris adhesion, energy dissipation and surface wear fluctuation within the ultra-low wear interface using debris dynamics, non-equilibrium thermodynamic wear theory and modern fluctuation theory of energy dissipation. The result of this study will provide new insight into tribofilm's wear reduction and thermodynamic response mechanisms and help deepen the understanding of macro- and micro-physics of system's non-equilibrium thermodynamic behavior. In view of tribological design, the result of this study will be a general non-equilibrium thermodynamics theory of ultra-low wear solid lubrication which could potentially be used in fine regulation of related systems.

超低磨损固体自润滑界面是一类能大幅提高机械设备免维护周期和寿命、降低环境污染的先进摩擦学功能界面。但与超滑状态类似，超低磨损极易受到界面力、热、材料和摩擦膜等因素的影响产生热力学分岔与磨损率的提高，属于非平衡态热力学中的一类不稳定定态。本项目以摩擦膜界面机械屏障与热力学耗散中枢的双重角色为切入点，以新型摩擦膜抗磨理论和磨屑动力学分析为基础，结合既有的磨损热力学理论和现代耗散系统涨落理论，通过研究界面内磨屑吸附、能量耗散和多界面材料磨损涨落的宏微观规律与调控问题，揭示摩擦膜作为界面核心热力学耗散项在摩擦学系统跑合-稳态，以及宏观磨损定态发生迁跃时发挥的关键作用与热力学响应机制。研究结果将建立起研究超低磨损界面的一般性非平衡态热力学理论和方法，对于深化对界面超低磨损宏微观物理学含义的理解和指导新型超低磨损界面和材料的设计具有重要的作用。

本项目以固体自润滑材料的界面抗磨设计为应用背景，以摩擦膜界面机械屏障与热力学耗散中枢的双重角色为切入点，从材料、界面、机械、物理多个角度深入研究了PTFE减摩耐磨材料的相关摩擦学原理。通过拓展Rabinowicz微尺度粘附磨损模型，开展了针对以塑形变形为主的聚合物超低磨损界面材料流动行为的试验研究，提出并验证了一种描述大量微尺度磨屑转移行为的宏观数学模型，连接了不同尺度上的粘附磨损理论；采用表面形貌长程异质性调控，设计并验证一种混合减磨表面，实现了目标摩擦副跑合磨损量的大幅降低，为进一步降低界面磨耗提供了新思路；通过聚焦纳米填料-PTFE基体物理化学作用，首次利用密度泛函理论方法对超低磨损PTFE复合材料中的填料-聚合物的力化学作用机理进行了研究，提出并验证了一种基于填料表面催化特性、比表面积和团聚强度的综合性摩擦化学评估标准，为更科学的进行相关材料开发和深入理解复杂机械界面摩擦磨损行为提供了新思路；通过系统研究环境水氧含量、温度场作用和滑动周期对超低磨损固体自润滑系统的影响，针对湿度环境下PTFE耐磨摩擦层的形成，提出了一种基于摩擦面表面能量梯度的摩擦膜稳定性判据，揭示了表面能梯度与粘附磨损方向与稳定性的密切关系，为深入理解粘附磨损机制提供了新的角度。本项目的研究发展了界面摩擦膜和第三体的多尺度研究理论和方法，利用分子模拟、纳米力学测量和宏微观尺度表征等手段，系统性阐明了超低磨损固体自润滑界面弹塑性储能、微断裂能量耗散、摩擦化学、表面能等因素对宏观磨损行为的影响，对发展下一代高性能、长寿命、免维护的固体自润滑材料有意义。项目研究共发表高水平科技论文19篇；申请发明专利4项，其中3项已授权；培养研究生14人；相关成果曾两次在国际知名学术会议上进行了口头汇报。

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