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    北斗智慧能源分享|中科院院士劉維民:用先進材料 “潤滑”提速經濟發展

    2022(第七屆)中國潤滑油技術創新及行業發展論壇
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    摘要:目前,我國自主研發的潤滑技術和材料在航天領域得到大量應用,但在我國從制造大國向制造強國邁進中,支撐高端制造業發展的潤滑劑、潤滑脂等核心材料,其相關設計理論、制備技術、應用技術等仍存在較多難題。
    最高端的潤滑脂,如精密機床潤滑脂、高速鐵路軸承潤滑脂、盾構機潤滑脂等
     
    從制造大國向制造強國邁進中,高端制造業、航空航天、交通運輸等領域對先進潤滑材料的需求更加迫切,要求突破環境適應性、性能穩定性、產品精細化等諸多技術瓶頸;
    蘭州化物所高端裝備潤滑油脂研發團隊研發的部分產品已替代進口產品,顯著提升了我國在高端潤滑材料領域的研發創新能力;
    未來在科學層面需要回答,摩擦、磨損是如何發生的、能否獲得近零摩擦(超潤滑)和磨損、潤滑材料的研究范式能否革新、潤滑材料技術能否更加智能或自適應變工況條件等科學問題。
     
    ▲2022年4月16日,神舟十三號載人飛船返回艙在東風著陸場預定區域成功著陸
     
    4月16日,在太空遨游了半年的神舟十三號載人飛船重回地球,標志著中國航天又站在新的起點上。在國人欣喜的歡呼聲中,中國科學院院士劉維民陷入更深的思考。他曾擔任“神舟七號飛船固體潤滑材料空間環境試驗”項目及科技部潤滑材料領域973項目首席科學家。
     
    ▲中國科學院院士劉維民
     
    劉維民表示,潤滑是一門古老的學科,無處不在的摩擦使潤滑成為永恒的研究課題。目前,我國自主研發的潤滑技術和材料在航天領域得到大量應用,但在我國從制造大國向制造強國邁進中,支撐高端制造業發展的潤滑劑、潤滑脂等核心材料,其相關設計理論、制備技術、應用技術等仍存在較多難題。
     
    如何才能持續推動、提升我國在高端潤滑材料領域的研發創新能力,為中國制造業和中國航天事業作出更多貢獻?
     
    自主研發航天潤滑材料成績卓著
     
    問:潤滑材料研究對于航天工程意味著什么?
    劉維民:航天工程是一個龐大的系統工程,涉及方方面面。其中,運載工具、空間飛行器、月球及火星巡視器等包含的眾多機械運動機構或部件都需要潤滑。如運載工具推進和伺服系統、空間交會對接機構、姿態控制系統、電源系統、機械臂等。這些機械運動機構或部件通常工作于高/低溫交變、高真空、強輻射、高低速度、特殊介質等苛刻環境條件下。潤滑是它們可靠運行及維持設定運行壽命的最重要保障。
     
    現今,隨著技術進步,空間飛行器運行時間已可達15年甚至更長。航天工程昂貴的成本及空間運動機構潤滑材料難以更換等特點,要求潤滑材料應具有良好的環境適應性、優良的性能穩定性及超長的服役壽命。潤滑故障或潤滑失效將帶來災難性后果或巨大損失,這對航天潤滑提出了嚴峻挑戰。
     
    為解決航天潤滑問題,美國國家航空航天局(NASA)于1958年、歐洲空間局(ESA)于1972年分別成立專門機構,從事航天潤滑研究,研發了一系列空間潤滑材料技術,建立了十分完備的材料考核評價體系。盡管如此,世界范圍內包括美國、英國、法國、德國等航天大國仍然發生了超過20起空間潤滑故障或失效事故,造成重大經濟損失。
     
    問:我國航天潤滑材料有哪些重要成果?
    劉維民:我國航天潤滑材料研究始于20世紀60年代,現在的固體潤滑國家重點實驗室,前身就是中國科學院蘭州化學物理研究所(簡稱蘭州化物所)摩擦、磨損與潤滑實驗室。經過四代人堅守、努力,我們已經建立了我國獨立自主的航天潤滑體系及航天潤滑實驗考核系統,發展了包括5類空間潤滑油脂、6類固體潤滑薄膜、20多種粘結潤滑涂層、多個固體-油脂復合潤滑體系及聚合物復合潤滑材料等具有特殊性能的航天潤滑材料。其中,蘭州化物所研制發展的潤滑材料技術應用于長征系列火箭發動機及火箭伺服機構、衛星太陽能帆板及天線系統、能源系統及生命保障的相關運動部件,以及月球和火星巡視器相關運動機構,滿足了現階段我國航天工程對空間潤滑材料和技術的需求。
     
    航天潤滑團隊于2008年利用神舟七號飛船第一次開展了固體潤滑材料的外太空環境試驗,為發展耐高低溫、抗原子氧輻照的航天潤滑材料提供了理論依據。航天潤滑研究工作先后獲國家自然科學獎二等獎、國家技術發明獎二等獎,并獲得人力資源和社會保障部、工業和信息化部、解放軍原總裝備部聯合頒發的“中國載人航天工程突出貢獻集體”獎牌。
     
    “潤滑”提速經濟發展
     
    問:我國潤滑材料的研發和應用在國際上處于什么水平?
    劉維民:約一萬年前,人類發明了輪子,這被認為是一項重要的技術進步,因為輪子使大多數運動由高阻力的滑動摩擦轉變為低阻力的滾動摩擦。從輪子到軸承和齒輪,極大地促進了人類文明進步及社會發展。潤滑是保障軸承、齒輪等裝備運動動力系統高效率、高可靠、長壽命運行的關鍵材料技術,對節省能源和資源具有重要作用。
     
    人類對潤滑材料的研究與應用先后經歷了水、動物脂肪、植物油、礦物油、合成潤滑油及固體潤滑的歷程。歐美發達國家在潤滑油、潤滑脂等領域研究歷史悠久。以美孚、殼牌、路博潤等為代表的跨國公司投入大量資金及人力資源持續研發高端潤滑油脂,其中美國在合成潤滑油、潤滑油脂添加劑方面優勢明顯,占據了很大的國際市場份額。德國和日本能夠生產國際上最高端的潤滑脂,如精密機床潤滑脂、高速鐵路軸承潤滑脂、盾構機潤滑脂等。
     
    我國在固體潤滑材料領域與發達國家相比有一定差距。由于對汽車和金屬加工等領域使用的固體潤滑材料研發與應用方面積累不夠,我國國產產品的種類及性能與發達國家相比還存在不足。在潤滑油脂領域,中國石化潤滑油有限公司、中國石油化工股份有限公司潤滑油分公司生產的潤滑油占據了國內較大的市場份額。近年來它們也都更加重視對高品質潤滑油和潤滑脂的研發與應用推廣工作。
     
    蘭州化物所高端裝備潤滑油脂研發團隊近年來開展了合成酯類潤滑油、特種潤滑添加劑、高承載齒輪油、高端潤滑脂等研發工作,相關產品先后在礦山冶金、水泥生產、人造板及塑料加工、軌道交通、風力發電等裝備運動系統或機構獲得規模應用,部分產品替代了進口產品,顯著提升了我國在高端潤滑材料領域的研發創新能力。
     
    問:潤滑材料研究面臨哪些新問題、新挑戰?
    劉維民:先進潤滑材料已廣泛應用于航空航天、鋼鐵冶金、高速鐵路、精密機床、風力發電、海洋工程、核技術等重要工業領域。隨著新技術發展,潤滑材料研究也面臨新挑戰。
     
    從學科未來發展態勢及國家高技術工業對潤滑材料的需求來看,未來在科學層面需要回答,摩擦、磨損是如何發生的、能否獲得近零摩擦(超潤滑)和磨損,潤滑材料的研究范式能否革新,潤滑材料技術能否更加智能或自適應變工況條件等科學問題。在技術層面,需要突破潤滑基礎原材料及高端潤滑材料產品的制備技術,苛刻環境條件下潤滑材料的考核評價技術,裝備同壽命周期潤滑技術,多功能潤滑油脂設計制備技術,潤滑產品的綠色化及再生利用技術,生命醫學潤滑材料等技術瓶頸問題。
     
    為了保障我國智能制造、先進制造及重大裝備設施的快速發展,必須將潤滑材料學科擺在更加重要的戰略高度予以考量,用先進材料技術“潤滑提速”新時代經濟發展。
     
    做大做強潤滑學科需持續創新
     
    問:對于我國潤滑學科發展,您有哪些建議?
    劉維民:我國潤滑材料學科發展一直秉承面向應用,從實際需求出發,積極探索解決工程領域中的潤滑問題。從制造大國向制造強國邁進中,高端制造業、航空航天、交通運輸等領域對先進潤滑材料的需求更加迫切,要求突破環境適應性、性能穩定性、產品精細化等諸多技術瓶頸。
     
    此外,潤滑材料和技術研究體現了多學科交叉的特點,需要從機械工程、化學、物理、力學、材料等多個學科方向進行綜合研究。由于潤滑材料產業資金投入及技術研發投入需求較大,加之涉及的材料種類繁多,研發和生產應用周期較長。
     
    鑒于潤滑材料、技術在裝備中的重要性,以及我國高端潤滑材料研發與產業化的滯后現狀,建議采取必要措施或政策,積極推進該領域研究和應用,保障我國潤滑材料學科健康發展。
     
    一是加強基礎研究,重視原創性研究成果。國家應繼續加大對潤滑材料基礎研究的支持力度,特別是加大對具有原創性理論與技術的探索研究。同時,鼓勵學科交叉研究與跨學科合作。潤滑材料是材料科學的一個分支,但嚴格意義上,潤滑材料的設計、制備與工程應用涉及數學、力學、物理學、化學、冶金學、機械工程、材料科學、石油化工等多個學科,潤滑材料學科的發展進步與其他交叉學科息息相關。建議國家相關部門設立專項資金,鼓勵支持潤滑材料領域開展多學科交叉研究。
     
    二是強化學術界與產業界合作交流,形成學研產用合作聯盟。目前,國內潤滑材料領域學術界與產業界技術交流、人才流動等方面互動性有較好的發展勢頭。國家宜鼓勵高校、科研機構針對產業界面臨的科學與技術難題開展潤滑領域的前瞻性研究,為潤滑油脂企業研發生產高端潤滑材料提供科學基礎和技術支持;重視發揮企業積極性,支持企業與科研院所開展高端潤滑產品研發及產品的應用性能和使役行為研究;推動潤滑油脂企業的技術進步,促進企業向更高目標和方向邁進,做綠色環保、高效節能、全壽命的引領未來發展的高端產品。通過共建聯合實驗室、聯合研發中心等推動研究機構與生產企業間的合作與交流;將學、研、產、用四方面結合起來,形成戰略合作聯盟,推動高端潤滑材料的研發與生產應用。
     
    三是加大投入,重視對高端潤滑材料的開發。我國工業化進程還在快速發展階段,亟需國家及企業重視對高端潤滑材料技術的研發,縮小在高端潤滑油脂等領域與發達國家的差距。
     
    四是重視潤滑材料標準化建設工作。隨著我國裝備制造業的發展以及潤滑材料學科的發展,有必要建立中國自己的潤滑材料標準,同時應積極參與國際重要潤滑材料標準的制定工作,中國石油、中國石化等大型國有龍頭企業應發揮骨干引領作用。
     
    問:在專業人才培養方面,有哪些建議?
    劉維民:人才是科技創新的主體,潤滑材料研究和創新需要大量專業人才接續不斷地努力。我們應始終重視人才培養和隊伍建設工作。建議國家從以下幾個層面著手:
     
    在理工類高校及裝備制造產業加強潤滑知識的教育普及,強化對潤滑材料專業人才的培養;鼓勵產業界與高??蒲性核⒙摵先瞬排囵B機制,以便更好地為產業界培養輸送研發人才,增強產業發展后勁,加強對青年科研骨干的培養與支持工作,鼓勵其參加國內外學術、產業會議,同時重視工程技術人才的培養與團隊建設工作。在人才隊伍建設中,還應重視愛國主義和集體主義的宣傳教育,學習新時代科學家精神,造就“忠誠、愛國、擔當、奉獻”的科研創新團隊,打造國家潤滑材料研究的戰略科技力量。
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