中国制造下的密封力量

本刊记者　于晓杰

郭飞与学生进行研究交流

“我们制造，带来繁荣与成长；我们创造，走向自主和强大”这是大型纪录片《大国重器》的片头里的一句经典台词，为了这一梦想，多年来，我国一直在这条道路上稳步前行着。

2015年，“中国制造2025”的提出，激发了人们做强“中国制造”前所未有的凝聚力。然而，在发展过程中，部分关键核心技术缺失、高端产品重要零部件与关键材料对外依存度高等问题依旧存在，如何破解“大而不强”的困局依然是顶层设计方案中不得不面对的一道难题，这也是国家提出“工业强基”战略的原因所在。

工业基础直接决定着产品的性能和质量，是工业整体素质和核心竞争力的根本体现，是制造强国建设的重要基础和支撑条件。而密封技术作为一项能有效提高设备的可靠性、使用寿命，同时也能够在一定程度上节能降耗的综合性技术，是现代工业安全、稳定发展的重要技术手段之一。特别是在“中国制造2025”背景下，以橡塑密封为代表的密封技术就在国家重大装备及关键基础零部件的设计需求中，起着至关重要的作用。

对于清华大学机械工程系助理研究员郭飞而言，从事密封领域的研究工作是他毕生的追求。多年来，他在橡塑密封及水润滑技术等方向的研究工作中创新前行，为我国的装备制造业、密封可靠性等领域的发展贡献着属于一名青年研究者的科研力量。科学技术无大小之分，在研究中履行自己作为一名科研人员的使命，为我国的创新发展注入能量，便是郭飞及其团队成员不竭前行的动力。

步履不停，不断前行的科研人生

“虽然在大多数人看来，密封技术在机械领域、工程工业领域，总是显得微不足道，比如一个密封圈，即便做得再好，对一个大机器来讲，它的存在感也很低，但是它真的是一个非常关键的核心零部件，甚至能够起到决定性作用，例如美国挑战者号失事就是由一个O型圈失效引起的连锁反应导致的。”郭飞说。虽然一开始，郭飞对此类研究并不是十分熟悉，但是深入其中之后，他越发体味到了这一领域研究工作的意义所在。

2010年，郭飞从哈尔滨工业大学机械设计制造及其自动化专业本科毕业后，凭借优异的学习成绩，被成功保送至清华大学机械设计及理论专业攻读博士学位，师从国内密封领域唯一的院士——王玉明教授。记者了解到，2008年王玉明院士来到清华之后，创立了密封与润滑研究室，组建了一支由11位在职教师和30余位硕士、博士研究生在内的研究团队，专门从事各种密封形式的研究，包括机械密封、橡塑密封、磁性液体密封、刷式密封、迷宫密封等方向。而郭飞的主要研究方向就是橡塑密封。

近些年来，随着能源资源危机的加剧以及环境污染的日益严重，研制新能源发展环境友好性资源已然成为了各个领域亟需解决的战略性问题，从而驱动了当代机械工程学科追求人与自然和谐的设计及制造模式，推动了传统机械的技术革新并催生出了许多新的研究领域。水润滑技术就是在此背景下发展壮大起来的，并成为了当今摩擦学领域的研究热点。在这一发展趋势下，2013—2014年左右，研究室又发展了水润滑轴承技术，而郭飞也在博士后研究阶段，接触到了水润滑轴承方向的研究。因为橡塑密封和水润滑轴承的研究工作中，必然要面临着摩擦学基础的研究，因此，郭飞又发展摩擦学的基础研究，作为自己致力的研究方向。

从事科研多年来，郭飞已在密封与水润滑领域发表了SCI论文20余篇，EI等论文近10篇，申请了30余项发明专利，其中10项已授权，主持了多项国家级科研项目以及航空航天、军工等企业委托课题。在项目研究中不断前行、收获了极大的成长。

直视差距，开展密封领域自主创新研究

近些年来，我国橡塑密封行业的发展取得了长足的进步，在一些特殊领域达到或超过了国际先进水平，如核电系统的密封。但是，在国民经济很多量大面广的领域还处于令人尴尬的落后局面，如工程机械高压往复密封，轿车动力总成系统发动机变速器油封等。

目前，我国大型工程机械所需35MPa以上高性能液压密封元件几乎全部依赖进口，但诸如航空航天、武器装备等关乎国防安全的重要领域所需高端密封件，西方国家明确禁止对中国出口，小小的密封件已然成为了制约我国高性能主机装备国产化的瓶颈。因此，对高参数高性能往复密封开展自主化研究已迫在眉睫，具有重要的战略意义。

在这一现状之下，郭飞深感责任之重大，他一直希望能够通过自己的研究来攻克这一难题。2018年，他和团队又开始了新的征程。他们将研究重点集中在“高压高速往复密封工作机理研究及长效性优化设计”上，并以此为课题申请提交了国家自然科学基金面上项目。在这一研究中，郭飞将以往复式橡塑组合密封为研究对象，研究高压高速条件下往复密封工作机理，建立密封性能预测方法，进而探索密封失效行为和诱发机理；从材料配方、工艺方法、产品设计等进行一体化解决，改善界面摩擦、润滑性能，提高密封效果，从而达到延缓密封失效提高可靠性的目的，形成密封领域开展基础研究的理论体系和方法。同时，基础研究成果将对提高国内密封行业的技术水平及解决工业领域“跑、冒、滴、漏”问题具有重要的实践指导价值。

科研征程永不停息，面对密封领域的关键科研问题，郭飞始终孜孜不倦。特别是在密封失效等问题的研究中，他就和团队积累了一系列研究经验。

密封失效会导致能源浪费、环境污染、设备损坏及停机等带来的巨大经济损失。良好的密封设计需要具备密封、润滑和泵送三重功能，实现这些功能的行为均发生于密封件与对偶件之间的接触界面。而密封接触区的表面形貌特征以及表面性能是影响接触界面润滑介质流动特性的决定性因素，因此表面形性变化必然会引起密封性能的改变。

在国家自然科学基金青年科学基金项目“表面形性演变对动态橡胶密封性能的影响研究”的资助下，郭飞就以动态橡胶密封为对象，研究服役过程密封表面形性演变规律对密封性能的影响机制，进而分析密封失效行为和机理，可有效避免机械事故的发生。在此基础上，他提出了密封表面改性和轴表改形的界面优化方法，改善密封性能延缓失效时间提高寿命和可靠性。

成果转化，开展产学研合作研究

“从历史发展来看，近30年来，我国‘重整机、轻配件’的研究和发展思路，导致了橡塑密封系统等研究与应用还不够多。”郭飞说。但是随着我国经济与科技水平的进步，我国已经到了要把配件做上去的时机。在这种形势之下，进行产学研结合便是最好的方式。

近些年来，郭飞团队一直在利用自身的优势，深入开展基础研究，然后把成果或专利转让给产业化能力强的企业，利用团队人才优势，接受企业委托开发新产品。

往复运动类液压作动器，是飞机作动系统和飞行控制系统的重要组成部分，其密封性能的好坏直接影响飞机运行的平稳性以及安全性。在航空航天企业委托自主研究课题中，郭飞团队通过研究摸清了国内常用航空橡塑材料的力学和摩擦学性能，熟悉了典型外购密封件的使用技巧，掌握了高压密封系统的仿真方法和技巧，建立了密封性能参数影响数据库，对于指导液压产品设计和密封失效预测，具有重要的实际意义和应用价值。

除此之外，他们还与国内核电有限公司开展了对核电站小流量上充泵柱塞的密封可靠性研究。在研究中，他们通过联合国内研究机构对密封结构优化、柱塞基材改性、表面处理等开展了一系列探索。通过不断攻关，提高了密封件和柱塞的匹配性，降低了柱塞与密封件的摩擦系数，提高了密封件的耐磨性及使用寿命，预期柱塞泵连续运行周期提高2倍以上。

创新发展、不断探索，一直是让科研保持活力的基础。密封的整个性能不仅仅是由密封件决定的，包括密封轴、润滑介质等构成的整个密封系统都要考虑到。因此，郭飞所在的科研团队也在进行整个密封系统的研究工作，并向着智能密封这一方向不断前行。在郭飞的讲述中，记者了解到智能密封代表着国际密封领域、摩擦学领域的研究前沿。它是从整体的角度出发，通过检测密封泄漏的具体位置，实现信息化，然后再通过智能调控，使其实现再次密封的功能，延长密封系统的寿命。此外，他们还要从原材料的角度进行分析，然后进行密封工艺设计，将密封系统的研究深入化。

漫长科研路，郭飞及其团队成员始终永葆对科学研究的炽热之情。不忘初心，求索不辍，他们一直在路上，创造着科研领域的新突破！