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润滑油蠕爬损耗已经成为空间机构丧失润滑能力的主要原因。“蠕爬”是指润滑油在接触表面不受作用而不断扩展的行为。鉴于空间机械部件中润滑油含量少、补给困难,润滑油一旦蠕爬流失将严重影响其在轨寿命。因此,开展润滑油热驱动蠕爬机理及调控策略研究对改善空间机械部件润滑条件,增强其可靠性和耐久性有重要意义。 本文聚焦于因温度梯度场引起的润滑油蠕爬,研究内容涉及润滑油本身性质、添加剂、基体表面结构、功能性流体以及其他外部因素等方面。本文首先系统地研究了润滑油在光滑表面的蠕爬行为及影响因素,在此基础上探索了添加剂对蠕爬特性的影响;建立了光滑表面润滑油蠕爬理论;然后从基体表面结构设计和功能性流体两方面展开蠕爬特性研究;提出了添加剂调控、表面织构化、磁性流体等多种行之有效的蠕爬调控策略,全文的主要结论如下: (1)在润滑油蠕爬基本特性方面:润滑油在温度梯度作用下会从热端向冷端蠕爬,增加润滑油黏度、减小润滑油体积、降低温度梯度均能够降低蠕爬速度;在润滑油中混入二甲基硅油减小其表面张力系数或混入油酸增加润滑油与基体的粘附性能,都能够有效减缓蠕爬。这些影响因素均能够指导润滑油调控策略的设计与实现。 (2)在润滑油蠕爬理论研究方面:建立了基于Navier-Stokes方程的光滑表面润滑油蠕爬二维理论模型,首次将粘温特性方程引入到模型之中,推导获得了理想水平和倾斜表面润滑油蠕爬速度理论公式,同时提出了临界倾斜角的概念并给出了临界倾斜角的理论公式。试验验证了理论计算结果的正确性和采用临界倾斜角来表征润滑油蠕爬特性的可行性。 (3)在抗蠕爬表面结构设计方面:获得了多种基于表面织构技术的蠕爬调控策略。针对单方向温度梯度,加工与温度梯度方向成一定角度的表面磨痕或者垂直于温度梯度方向的微沟槽型表面织构,均可以阻碍润滑油的蠕爬,且微沟槽深度越深,阻碍效果越明显;针对多方向温度梯度,加工微凹坑型表面织构能够阻碍润滑油的蠕爬,且微凹坑深度越深,面积率越大,阻碍效果越明显。 (4)在功能性流体蠕爬特性研究方面:采用磁流体作为润滑油,引入外磁场能够阻碍其蠕爬,且外磁场强度越大,磁流体饱和磁化强度越大,阻碍效果越明显;同时设计了一种智能“电磁开关”,采用外场干预的方法,调控磁流体与界面物理吸/脱附,实现界面润滑油的“二次补给”,使磁流体获得更好的定域持久润滑特性。