大变形软材料接触摩擦的在线测试装备与技术分析

谭桂斌,黄 兴,高军翔,张永康,田应成

(1.广东工业大学 省部共建精密电子制造技术与装备国家重点实验室,广东 广州 510006;2.广州机械科学研究院有限公司,广东 广州 510700;3.中油国家油气钻井装备工程技术研究中心有限公司,陕西 宝鸡 721002)

聚合物橡胶是继石油、铁矿和有色金属之后，现代科技和人类生活不可或缺的第四大战略资源，聚合物软材料的摩擦磨损问题研究一直是国际上热点方向之一.相比较于金属、陶瓷和碳纤维复材等刚性硬材料，大多数聚合物材料的弹性模量远低于这些硬材料的弹性模量(一般相差3个数量级)[1].目前，针对大变形软材料摩擦过程的原位研究尚不多，由于理论模式与基础数据匮乏，现有的摩擦学理论尚无法有效地揭示软材料零件表面缺陷萌生、演变和裂纹扩展等的微观损伤规律及机理.

“十三五”期间，我国高档密封件和液压件、精密轴承以及高端芯片等仍然依赖进口，成为国家装备制造业“短板”瓶颈.从基础件摩擦学的角度看，目前，我国“材料级-零件基础件级-核心部件级-产品级”四维度的综合测试方法与理论匮乏.针对工业环境级的测试过程单独存在，暂缺乏统一的数据平台支撑反馈设计和制造过程，而且测试专用装备及数据平台仍然需要进口.针对以上关键瓶颈难题，在本课题组已发表的研究工作基础上[1-2]，系统查阅并整理了在机械零部件接触摩擦原位测试等方面的文献资料，进一步分析了基础件摩擦学的共性关键技术和应用难点.

1 问题提出

高性能密封件和液压件等基础零部件元器件行业，默默呵护和支撑装备制造业的持续发展.但是，某军用装备、新能源装备及深海装备等的服役可靠性和寿命不足，其精密设备中的软材料密封故障约80%与摩擦磨损有关，迫切需要从宏观-微观跨尺度及多学科研究软材料的接触摩擦行为.

针对核心部件级“软材料密封”的常见故障及失效(停机拆解)，发现大约80%失效原因来自摩擦和磨损，“黑箱”条件下出现了缺陷萌生、裂纹、分层剥落和点蚀等现象，如图1(a)所示.图1(b)中软材料密封副包含了橡胶摩擦学系统问题，它与宏观参数、微观特征、运行工况、环境介质及润滑液膜等多个因素相关.图1(c)中“软材料密封”的接触摩擦载荷psc，它是粗糙峰微观接触压力pcn与液膜压力pf两者之和.总之，采用简单的“改进材料技术”无法确保“高性能密封产品”，从基础件摩擦学的角度，应该探究流-固-热-动多物理场动态耦合时软接触润滑机理，它迫切需要针对摩擦界面的在线测试新技术和新装备等方面研究.

Fig.1 Schematic diagram of soft material sealing friction图1 软材料密封摩擦的示意图

2 接触摩擦原位在线测试的概况

2.1 国外研究进展

2.1.1 接触摩擦界面的光学可视化测试

1881年24岁的德国科学家Hertz在物理学家兼导师Helmholtz的鼓励下发表了经典论文《论弹性固体的接触》(On the contact of elastic solids)，开创了接触力学这门学科，Hertz接触理论解决了无摩擦表面及理想弹性固体的接触问题.在1950年，剑桥大学卡文迪许(Cavendish Laboratory)实验室Bowden和Tabor教授经过系统的试验研究，提出了微凸体黏着摩擦理论，也首次提出固体表面粗糙度和真实接触率的重要性，开启了现代接触力学的篇章.1960年末，剑桥大学Tabor教授和博士生Roberts开展汽车雨刮器的橡胶条接触摩擦和黏着研究，将光干涉技术应用在橡胶/玻璃之间软接触区的液膜测量中[3-4]，膜厚测量分辨率约10 nm级(采用光学级光滑的橡胶)，但是该研究未考虑橡胶自身粗糙度的影响.1973年，Israelachvili[5-6]提出将等色序条纹(Fringes of equal chromatic order,FECO)方法应用于表面力仪，此后，Israelachvili教授与合作者研制了多型号表面力仪，利用等色序条纹FECO方法可直接测量云母薄片试样间的纳米润滑膜厚度(垂向精度0.1 nm)，但是必须在云母薄片试样背面镀有银膜(厚度约20 nm，半透，反射率高达95%)，近几十年，表面力仪逐步推广用于胶体、界面科学、纳米摩擦学和生物芯片等领域.1963年，Gohar和Cameron[7]利用光干涉技术进行钢球/玻璃盘的点接触区膜厚测量，首次在线观测了带有出口颈缩的经典“马蹄形”弹流润滑油膜形状；Westlake和Cameron[8]在1967年提出采用玻璃盘附加二氧化硅斜垫层的方法，实现高分辨率超薄油膜厚度测量；此后十年，才开启了点接触区润滑的理论解析和模拟研究.1970～1980年，英国学者以电容、电阻和X射线等技术进行了弹流润滑膜厚测量和探索，然而分辨率较差.

1987年，Spikes课题组[9-10]的润滑膜厚纳米级测量技术，使用了光学性质与润滑膜相近的Al2O3薄膜在玻璃盘的表面制成斜垫层，使得光干涉法能测量的润滑膜厚度首次达5 nm以内；1996年，Spikes团队[11]发展了研究弹流接触区的新技术-垫层图像法(Space layer imaging method,SLIM).1997年，捷克Hartl课题组[12]提出了比色干涉测量法(Colorimetry interferometry)，通过计算机进行色度对比以获得润滑膜的厚度.从1990年末，得益于计算机和信息传感技术等的快速进步，英国Spikes课题组应用了斜垫层光干涉技术和激光诱导荧光技术等改进研发的纳米级超薄层膜厚测量仪(Optical measurement of very thin lubricant films)，实现了钢球/玻璃盘的点接触载荷0～0.7 GPa，或者陶瓷(钢)球/蓝宝石盘的载荷0～3 GPa，润滑介质温度最高150 ℃等苛刻条件下膜厚测量；自2010年起，Spikes团队与斯凯孚公司、壳牌公司和联合利华集团等企业组建了摩擦学技术中心，固定科研人员60余人，十余年来进行航空航天轴承、高铁轴承、风电轴承和密封件等的摩擦学研究，前沿理论与核心技术成果作为企业核心机密(极少以论文发表或公开报道).以大型跨国企业需求牵引的“摩擦学创新联合体”，促进了工程摩擦学创新链条前后端联系的紧密性、知识服务的动态性和风险共担的多元性等.

2.1.2 橡胶软材料的摩擦润滑原位测试

从2010年起，Myant[13-14]课题组和Spikes课题组等[15-16]与企业合作，提出了适合于软材料接触区的激光诱导荧光方法，研究PDMS橡胶球与玻璃盘之间的润滑液膜厚度，得到了低黏度下水润滑条件的接触形状和液膜厚度等.试验中采用硬质BK17玻璃盘(室温下弹性模量65 GPa，泊松比0.24，光学折射率1.517，表面粗糙度低于2.1 nm)与PDMS橡胶球(在超精密光学模具内固化成形，球直径为25.4 mm，平均表面粗糙度为10.24 nm，室温下弹性模量为3.8 MPa)，尤其是透明玻璃和橡胶的表面无需任何纳米级镀膜，能够测量300 nm以内的纳米级液膜厚度，测量装置如图2(a～b)所示，用以开展人工关节软骨、水润滑橡胶轴承和密封件等变速过程润滑成膜特性研究.

此后，Spikes课题组和Dini课题组[17-18]针对聚合物摩擦中的润滑成膜、数值计算和仿真分析等研究，将柔软润滑区膜厚的数值分析结果与试验结果进行了比对，采用了透明聚氨酯圆盘(厚度10 mm，附加镀铬膜厚约30 nm；橡胶表面粗糙度4 nm以内，弹性模量为1.85 GPa，泊松比0.48)及PMMA有机玻璃盘(厚度10 mm，附加镀铬膜的厚度约30 nm；表面粗糙度4 nm以内，弹性模量为3.3 GPa，泊松比0.39)，硬质摩擦对偶为钢球试样(弹性模量为210 GPa，泊松比0.3).如图2(c)所示，分析了高弹性橡胶试样(弹性模量约1～10 MPa)易发生变形失稳，难以附加制成光学镀膜，无法进行光干涉下润滑膜厚测量.如图3所示，Dwyer-Joyce课题组[19]使用超声测量技术，揭示了橡胶软材料/有机玻璃之间的润滑成膜规律与特性，丁腈橡胶圆球试样的表面粗糙度约0.59 μm(球直径19 mm，室温下橡胶弹性模量8.59 MPa)，试验测量了橡胶摩擦的润滑膜厚约1～6 μm左右，将膜厚测量结果与数值解析结果进行比对和验证.

Fig.2 Diagram of in-situ observation at elastic frictional contact by Spikes’s group [16,18]图2 Spikes课题组的软材料摩擦界面在线观测示意图[16,18]

Fig.3 Diagram of in-situ measurement at rubber/glass contact by Dwyer-Joyce’s group[19]图3 Dwyer-Joyce课题组研制的膜厚在线测试系统[19]

法国学者Deleau和Koenena等[20]开展了汽车雨刮的橡胶圆柱面/玻璃之间水膜厚度、形态和分布等的在线观测研究，如图4所示，在玻璃盘附加镀有10 nm厚度铬膜与200 nm厚度Al2O3膜之后的表面粗糙度约5 nm以内(室温下硬质玻璃弹性模量约106 GPa，泊松比0.17)，橡胶圆柱面表面粗糙度约1 μm(橡胶弹性模量约6 MPa，泊松比0.5)，试验测试了干燥、薄水膜和厚水膜等状态的雨刷效率、摩擦系数以及噪声等规律；发现了在薄层水膜条件下，湿摩擦系数的变化对滑移速度非常敏感.在2006～2009年期间，以色列Etsion课题组[21-25]开展了光滑圆球与透明玻璃之间较大载荷时摩擦界面原位观测的研究，对硬质钢球(铜球)或塑料圆球的弹塑性接触早期形变、加载/卸载接触和微动摩擦原位在线分析等，施加挤压载荷近250 N，采用了显微观测、数字图像二值化和摩擦试验机等技术相组合，开展了硬质接触的、无润滑介质的真实接触率及特性研究.

在2010～2014年，Sawyer课题组及德国于利希研究中心Persson课题组等合作[26-29]采用了显微观测、机器视觉和微摩擦测量仪等技术相结合，施加载荷1 N以内，如图5所示，使用了PDMS橡胶球(室温下弹性模量约2.2 MPa，球半径为3.175 mm以内，平均表面粗糙度4 nm以内)及硬质玻璃盘(弹性模量约106 GPa，表面粗糙度2.1 nm以内)构成了柔软接触区，开展了微小区域的摩擦原位观测、温度场测试及黏滑行为测量等的作用机制研究，成果得到航天航空、医疗器械、隐形眼镜、预灌封注射器及密封件等行业推广及应用.从2015年起，在德国科学基金会(Deutsche Forschungs gemeinschaft，DFG)资助的重大课题DFG PE 807/10-1，DFG HE 4466/34-1与MU 1225/36-1等的资金支持下，由意大利Scaraggi教授、德国Persson教授与亚琛工业大学流控研究所Murrenhoff教授等合作[30-31]，将软材料分形粗糙表面的微观接触理论及Persson接触力学理论等拓展到橡胶往复密封及其泄漏机理研究中，并应用于飞机作动器和高端装备油缸等的密封产品行业.

2.2 国内主要研究动态

2.2.1 摩擦润滑界面原位在线研究

1979～1981年，温诗铸作为访问学者被派往英国帝国理工Cameron的摩擦学课题组学习.1980年，温诗铸团队利用光干涉、红外辐射和高速摄影等技术研究弹流润滑膜厚、压力分布和温度场特性等，将热弹流完全数值解和试验结果开展比对验证.1991～1994年，温诗铸和雒建斌课题组[32-34]用单色光的“相对干涉光强法”成功研制了NGY-Ⅱ纳米量级润滑膜厚测试仪，并揭示了纳米级薄膜润滑机理(Thin film lubrication,TFL)，如图6(a)所示，膜厚测量精度为0.5 nm，水平方向的分辨率为1 μm，是当时世界上同类仪器中最高的分辨率.2004～2008年，雒建斌教授与博士生刘书海和马丽然等[35-36]改进和研制了NGY-Ⅵ纳米级润滑膜厚测量仪，其具备了加温组件、外加电场和球/盘滑滚精准控制组件等，光学测量组件主要包含了显微镜、滤光片、图像传感器、图像采集卡、计算机和光源等.从2012年起，雒建斌、郭丹和梁鹤等[37-40]利用光干涉相对光强法进行了最高速度为42 m/s时润滑膜厚的在线测量以及100 m/s速度下润滑摩擦力的实时监测，理论模型和基础数据，为国产化燃气轮机和航发的润滑设计提供参考.为了研究纳米间隙润滑剂分子行为及物化特性，如图6(b)所示，雒建斌课题组[41-42]研发了由相对光强干涉系统和拉曼显微镜组成的原位在线测试系统，使用钢球(表面粗糙度Ra为3.3 nm)与石英盘(Ra为2 nm)组成点接触区，探索纳米间隙内润滑剂中分子极性对分子取向及分子行为的影响，可指导润滑剂分子结构的设计和配制.上述文献可发现，利用相对干涉光强法在线测量摩擦副的润滑膜厚与润滑形态时，仍然有工程局限性，如图6所示，钢球或陶瓷球样品需纳米级抛光(表面粗糙度大约0.5～6 nm)，其透明玻璃与蓝宝石盘样品在附加镀膜之后的表面粗糙度通常为0.3～3.5 nm.

Fig.4 Diagram of in-situ observation at wiper/glass contact by Koenena group [20]图4 Koenena课题组研制的汽车雨刮橡胶/玻璃间在线观测系统[20]

进入21世纪以来，将摩擦学引入计算机磁头、磁盘与芯片晶圆抛光领域时，清华大学雒建斌课题组[43-44]采用了荧光纳米颗粒示踪方法，建立起微弱荧光显微示踪测量系统，开展了微小区域内含纳米颗粒固液二相流体的速度测量和纳米颗粒运动状态的观测研究；清华大学雷均和郭丹等[45-47]在线观测模拟化学机械抛光(Chemical Mechanical Polishing,CMP)过程中荧光二氧化硅颗粒的运动与形态，采用硬质蓝宝石盘/玻璃片及柔软多孔洞的聚氨酯抛光垫挤压形成软接触区，利用荧光颗粒示踪技术搭建了化学机械抛光观测系统[图7(a)]及抛光后颗粒清洗去除观测系统[图7(b)]，发现软接触区中纳米级颗粒对表面的运动方式有滑动、滚动和碰撞等的规律.

Fig.5 Diagram of in-situ observation at rubber/glass contact by Sawyer’s group[26]图5 Sawyer课题组[26]的摩擦接触在线测试系统

此外，青岛理工大学郭峰等提出了润滑膜厚测量的多光束干涉强度分析法，将二色干涉法应用于润滑膜厚及摩擦力的同时测量；2010年沈万辉等[48]模拟测量了人工滑液关节软骨界面的润滑膜厚，运用了高弹性PMMA滑块(PMMA材料透光率高达92%，以厚度200 nm金膜镀膜之后的滑块工作面粗糙度约4 nm，平面度约50 nm)及玻璃盘(加镀铬膜和二氧化硅膜，反射率控制在20%左右，表面粗糙度约4 nm)相互的面接触式摩擦.2018年黄巍等[49]应用了二色干涉膜厚测量仪，以PDMS橡胶滑块(弹性模量1.036 MPa，泊松比0.49，表面粗糙度10 nm以内)及玻璃盘(加镀铬膜，表面粗糙度约4 nm)分析了带表面织构橡胶表面的软润滑成膜机制.合肥工业大学刘焜和焦云龙课题组[50-51]利用表面粗糙度约7.5 μm的柔软橡胶球样品和表面粗糙度约0.4 nm的硬质摩擦对偶材料，也采用光学可视化技术分析橡胶软材料接触界面的渗逾和流动状态.

2.2.2 软材料摩擦的原位在线研究

2010年起，在清华大学摩擦学国家重点实验室开放课题和国家自然科学基金项目等支持下，谭桂斌等[52-54]自行研发出了动态在线测量橡胶摩擦状态的接触区微观形貌及润滑的试验装置，如图8所示，将原位光学显微镜、数字图像软件及摩擦试验台进行组合，并利用此试验台研究了柔软橡胶的弹性模量对真实接触率的影响，进一步将橡胶表面粗糙度、界面接触特性及接触力学相结合，为分析粗糙橡胶接触界面间的真实接触面积比和摩擦规律等奠定了试验基础.如图8(b)和(c)所示，谭桂斌和刘书海等[55-58]结合微弱荧光示踪技术、显微观测和数字图像技术，提出了悬浮蜡颗粒在橡胶润滑间隙“微淤积效应”，发现了摩擦过程中柔软点接触区不同类型油滴铺展的周期性黏滑效应，揭示出橡胶摩擦过程中不同类型蜡沉积物去除、正交切削以及淤积卡堵动态模型，成果得到国内外学者和企业的关注.

Fig.6 In-situ observation of lubricating film at nanoscale by Luo’s group[32-40]图6 雒建斌课题组研制的纳米级润滑膜厚测量技术和装备[32-40]

Fig.7 Diagram of in-situ observation at polishing pad/glass soft contact during the CMP [45-47]图7 模拟晶圆抛光CMP工况的聚氨酯/玻璃盘间在线观测示意图[45-47]

Fig.8 Diagram of in-situ testing rig at rubber tribological contact[52-54]图8 软材料橡胶摩擦接触的原位在线测试装置[52-54]

从2015年起，张德坤课题组等[59-61]开展了矿井提升钢丝绳及衬垫之间的摩擦原位在线观测，进行了静、动态载荷下软材料粘弹性摩擦的实时观测，采用了矿山常用的K25、G30和GM-3等三类摩擦衬垫制品，分析了摩擦提升机的聚合物摩擦衬垫与钢丝绳之间黏弹接触、磨损、润滑及温度变化规律.针对铺管船张紧器的橡胶材料静摩擦研究，王德国和周永杰等[62-63]采用了显微观测和数字图像技术发现了橡胶材料黏弹性变形典型的空穴现象和蠕变变形等规律.方燕飞和黄平等[64]将光弹法应用于研究聚合物软材料摩擦过程的应力应变规律和微观损伤机制.然而，由于机械摩擦副的环境工况苛刻，针对极端工况、尺度和环境下各种软材料的摩擦润滑研究，需要国内外学者的进一步探索.

3 工业环境级软材料密封的全尺寸测试验证

3.1 国外的软材料密封测试研究

密封产品正朝着“高端化、极端化、智能化、高参数和长寿命”方向发展.国外学者，如德国斯图加特大学密封研究室Hass课题组[65-66]、亚琛工业大学Murrenhoff课题组[30-31,67-68]、英国帝国理工Nikas课题组[69-71]和美国佐治亚理工大学Salant课题组等[72-75]，各自从密封机理、仿真算法和试验测试等方面，对工业环境级苛刻工况(往复速度10～15 m/s，宽温域-70～250 ℃等)的弹性体密封失效及寿命进行研究.国外知名企业如斯凯孚、特瑞堡、圣戈班、NOK和派克汉尼汾等，与高校合作进行了工业环境级密封可靠性研究[76-79].1996年，由英国流体动力工程协会(British Hydromechanics Research Association,BHRA)和德国斯图加特大学密封研究室(Institute of Machine Components,IMA)等，联合了密封产品制造商、用户企业及高校等，共同提出国际标准ISO 7986：1997《液压传动 密封装置：评定液压往复运动密封件性能的标准试验方法》，其在日本工业标准的编号为JIS B2409: 2002.此后，在2013～2015年，中国机械工业联合会和全国液压气动标准化技术委员会组织编制标准GB/T 32217-2015《液压传动 密封装置：评定液压往复运动密封件性能的标准试验方法》(采标自ISO 7986：1997).

Fig.9 Sealing test platform for the various soft seals products (from Trelleborg Ltd.,etc)图9 工业环境级柔软密封产品的全尺寸试验装备(特瑞堡公司等)

2016年，特瑞堡密封技术研发中心在斯图加特市建成了飞机起落架密封部件的长期耐久性和寿命测试平台，如下图9(a)所示，已完成20 000个完整的降落循环及额外的擦冰和淋水测试，模拟了空客A350飞机极端工况.其中，测试台架的质量为18 t、总功率为260 kW，往复运动类型呈正弦波、梯形和自由形态等，模拟−60～90 ℃的环境温度，适合直径100～400 mm的密封件，往复速度为1 m/s，可模拟起落架在飞机刹车或极限冲击时的侧载、偏载激励(最高达22.5 t侧向荷载).如图9(b)和(c)所示，系列化的密封测试装备、技术及其基础数据平台，在欧美发达工业国家得到了大量的研发和应用.

3.2 国内的软材料密封全尺寸试验研究

1983年起，广州机械科学研究院黄兴课题组[80]在“六五”国家级重点攻关专项《旋转密封结构型式和设计参数的研究》等资助下，研发设计不同回流形式的流体动力油封，用光弹法分析密封件应力和应变分布，有限元法分析密封件唇口温度场分布，通过理论计算与台架试验有机结合，设计的单向斜纹沟槽式油封和正弦三角形凸台的双向油封产品的台架测试寿命达到2 000 h以上，是同期普通标准型油封的5～10倍，有助于在制造业推广应用.此后，在“十一五”国家科技支撑项目《高性能密封件关键技术研究》、“十二五”支撑计划项目《大型及行走式工程机械密封关键技术研究与应用》等的资助下，广州机械科学研究院[80-82]研究弹性体自密封机理和往复密封机理，运用有限元法和台架试验相结合方法，实现了超大型密封正向设计的技术突破，建成了旋转轴唇封寿命与可靠性试验平台，如图10(a～c).根据标准GB/T 13871.4-2007《密封件为弹性体材料的旋转轴唇形密封圈第4部分: 性能试验程序》，图10(a)所示的标准型唇封测试台可进行直径7～200 mm、转速为200～10 000 r/min等的密封件可靠性评价；图10(b)所示的大尺寸唇封试验台，适合于巨型设备的唇封直径160～550 mm、转速为200～3 000 r/min等的全尺寸密封系统寿命评估.此外，图10(c)所示的高速高温旋转轴唇封试验台能够同时实现介质温度近200 ℃、线速度最高为55 m/s的耐磨密封件全尺寸验证分析，适合我国航空发动机与燃气轮机、大型民机和高档内燃机等行业需求.

2006年以来，广州机械科学研究院自主研制了煤矿液压支架、大型挖掘机油缸以及飞机作动器等的专用密封测试台架[82-83]，如图10(d～f)所示；密封行业的首个国家工业强基专项，即“十三五”的国家“强基工程(产业技术基础) ”专项-高端橡塑密封元件研发检测服务平台是由黄兴课题组负责和完成的，协同了国家重点工程建设单位、重大技术装备企业以及密封件制造商等产业链资源，2018年6月验收完成.2015～2019年，在国家973项目《大型飞机电液动力控制与作动系统新体系基础研究》(编号：2014CB046400)等的资助下，清华大学郭飞课题组[83-84]、浙江工业大学彭旭东课题组[85-88]以及浙江大学欧阳小平课题组[89-90]等，开展了起落架收放作动筒和液压作动器等密封件的理论和试验研究，分析了典型飞行剖面下往复密封件失效规律，相关成果直接应用于我国航空装备企业.

Fig.10 Reliability test equipment for rubber and plastic sealing products in special environments by Huang’s group图10 黄兴课题组的特殊环境下橡塑密封件可靠性试验装备

4 未来研究方向与趋势分析

4.1 共性关键技术的主要研究方向

聚焦于深海、深地、深空和极地等高端装备，建议对密封一体化技术系统正向设计、密封材料环境适应性评价及延寿以及极端环境密封系统寿命保障等进行研究，重点突破密封产品稳定性和可靠性质量控制技术难题.针对我国重大技术装备趋于重载、大型、高可靠、长寿命和复杂服役环境等新特点，研究大变形软材料密封件的多场耦合动态服役性能以及在磨损寿命、可靠性分析和材构性一体化设计制造领域的新原理和新方法.需开发密封配副的智能监测、微纳传感和反馈控制技术，探索智能密封表界面与材料的设计制备方法，研发具有自修复、自存储、自诊断等一体化功能的智能密封技术.

4.2 极端工况密封件试验与基础数据库的研究方向

现代工业中很多极端和复杂的应用环境，如新型战机的宽温域超高压(流体工作温度-65～200 ℃，压差约54 MPa)工况、新一代火箭贮箱中的极低温(液氧−182.96 ℃，液氢−252.7 ℃)工况、太空轨道上的真空/辐射/高低温工况环境、核工业中的辐射(103～108Gy/h)工况、氢能源输送和储运的高压密封(140 MPa)工况以及芯片制造的专用设备(腐蚀、高温、真空)等环境[91].应用在上述环境中的密封产品，其性能稳定性和寿命预测成为保证工业系统及产品可靠性的关键问题.不夸张地说，一些关键密封件的有效性甚至能决定1个航天器(航空器)的命运，是工业发达国家的科技竞争高地.所以，面向国家重点工程，要健全极端工况、环境以及尺度下高性能密封件试验方法、标准体系与基础数据库等的共性技术，为保障我国产业链供应链的安全可控，建议推动跨行业、跨地域、跨学科的密封产业创新联盟的组建.

4.3 复杂工况高性能密封行业的新趋势

文献检索发现，国际上重大技术装备和关键零部件与材料市场大多呈现寡头垄断格局，存在大量专业精深、积淀深厚的标杆领军企业和隐形冠军企业(品牌).例如跨国集团，包括瑞典SKF公司、瑞典Trelleborg公司、法国Saint-Gobain公司、德国Schaeffler公司、美国的TIMKEN公司、日本的NSK和NTN公司，美国Parker-Hannifin公司以及德国Bosch公司等通过收购和重组等，逐步形成垄断局面和技术壁垒，一方面占领了中国高端装备产品的民品市场，限制出口高端高等级的密封件和液压件以及轴承技术等；另一方面长期坚持关键技术不离开自己国家，通过法律法规，牢牢占据技术优势，实现了高额垄断利润，再反哺了企业内部的基础研究资金和高素质人才队伍.所以，需要我国科研团队在复杂工况高性能基础件的材料、设计、制造及试验等技术链协同创新基础理论研究，增强校企合作、科教融合、产教融合以及军民融合等；需要龙头企业、骨干企业吸引集聚国际化、专业化的高层次创新人才，进一步推动我国密封行业的高质量发展.

5 总结与展望

本文作者介绍了国内外学者在软材料摩擦、橡塑密封件及全尺寸测试装备等方面的研究、设计及应用，分析了国内外在机械零部件摩擦界面在线测试技术的研究进展.从基础件摩擦学的角度看，从“中国制造”迈入“中国智造”仍有诸多挑战，更需要广大企业家和科技人员的不懈努力，推动“产、学、研、用”融合创新，需要在新技术、新方法和新产品等方面讨论、实践及交流.未来，期待有中国密封件和液压件等企业，拥有更多自主设计研发并占有世界市场的产品.