北斗智慧能源分享｜中科院院士刘维民：用先进材料 “润滑”提速经济发展

 

从制造大国向制造强国迈进中，高端制造业、航空航天、交通运输等领域对先进润滑材料的需求更加迫切，要求突破环境适应性、性能稳定性、产品精细化等诸多技术瓶颈；

兰州化物所高端装备润滑油脂研发团队研发的部分产品已替代进口产品，显著提升了我国在高端润滑材料领域的研发创新能力；

未来在科学层面需要回答，摩擦、磨损是如何发生的、能否获得近零摩擦（超润滑）和磨损、润滑材料的研究范式能否革新、润滑材料技术能否更加智能或自适应变工况条件等科学问题。
 

▲2022年4月16日，神舟十三号载人飞船返回舱在东风着陆场预定区域成功着陆

 

4月16日，在太空遨游了半年的神舟十三号载人飞船重回地球，标志着中国航天又站在新的起点上。在国人欣喜的欢呼声中，中国科学院院士刘维民陷入更深的思考。他曾担任“神舟七号飞船固体润滑材料空间环境试验”项目及科技部润滑材料领域973项目首席科学家。
 

▲中国科学院院士刘维民

 

刘维民表示，润滑是一门古老的学科，无处不在的摩擦使润滑成为永恒的研究课题。目前，我国自主研发的润滑技术和材料在航天领域得到大量应用，但在我国从制造大国向制造强国迈进中，支撑高端制造业发展的润滑剂、润滑脂等核心材料，其相关设计理论、制备技术、应用技术等仍存在较多难题。

 

如何才能持续推动、提升我国在高端润滑材料领域的研发创新能力，为中国制造业和中国航天事业作出更多贡献？

 

自主研发航天润滑材料成绩卓著
 

刘维民：航天工程是一个庞大的系统工程，涉及方方面面。其中，运载工具、空间飞行器、月球及火星巡视器等包含的众多机械运动机构或部件都需要润滑。如运载工具推进和伺服系统、空间交会对接机构、姿态控制系统、电源系统、机械臂等。这些机械运动机构或部件通常工作于高/低温交变、高真空、强辐射、高低速度、特殊介质等苛刻环境条件下。润滑是它们可靠运行及维持设定运行寿命的最重要保障。

 

现今，随着技术进步，空间飞行器运行时间已可达15年甚至更长。航天工程昂贵的成本及空间运动机构润滑材料难以更换等特点，要求润滑材料应具有良好的环境适应性、优良的性能稳定性及超长的服役寿命。润滑故障或润滑失效将带来灾难性后果或巨大损失，这对航天润滑提出了严峻挑战。

 

为解决航天润滑问题，美国国家航空航天局（NASA）于1958年、欧洲空间局（ESA）于1972年分别成立专门机构，从事航天润滑研究，研发了一系列空间润滑材料技术，建立了十分完备的材料考核评价体系。尽管如此，世界范围内包括美国、英国、法国、德国等航天大国仍然发生了超过20起空间润滑故障或失效事故，造成重大经济损失。

 

刘维民：我国航天润滑材料研究始于20世纪60年代，现在的固体润滑国家重点实验室，前身就是中国科学院兰州化学物理研究所（简称兰州化物所）摩擦、磨损与润滑实验室。经过四代人坚守、努力，我们已经建立了我国独立自主的航天润滑体系及航天润滑实验考核系统，发展了包括5类空间润滑油脂、6类固体润滑薄膜、20多种粘结润滑涂层、多个固体-油脂复合润滑体系及聚合物复合润滑材料等具有特殊性能的航天润滑材料。其中，兰州化物所研制发展的润滑材料技术应用于长征系列火箭发动机及火箭伺服机构、卫星太阳能帆板及天线系统、能源系统及生命保障的相关运动部件，以及月球和火星巡视器相关运动机构，满足了现阶段我国航天工程对空间润滑材料和技术的需求。

 

航天润滑团队于2008年利用神舟七号飞船第一次开展了固体润滑材料的外太空环境试验，为发展耐高低温、抗原子氧辐照的航天润滑材料提供了理论依据。航天润滑研究工作先后获国家自然科学奖二等奖、国家技术发明奖二等奖，并获得人力资源和社会保障部、工业和信息化部、解放军原总装备部联合颁发的“中国载人航天工程突出贡献集体”奖牌。

 

 

刘维民：约一万年前，人类发明了轮子，这被认为是一项重要的技术进步，因为轮子使大多数运动由高阻力的滑动摩擦转变为低阻力的滚动摩擦。从轮子到轴承和齿轮，极大地促进了人类文明进步及社会发展。润滑是保障轴承、齿轮等装备运动动力系统高效率、高可靠、长寿命运行的关键材料技术，对节省能源和资源具有重要作用。

 

人类对润滑材料的研究与应用先后经历了水、动物脂肪、植物油、矿物油、合成润滑油及固体润滑的历程。欧美发达国家在润滑油、润滑脂等领域研究历史悠久。以美孚、壳牌、路博润等为代表的跨国公司投入大量资金及人力资源持续研发高端润滑油脂，其中美国在合成润滑油、润滑油脂添加剂方面优势明显，占据了很大的国际市场份额。德国和日本能够生产国际上最高端的润滑脂，如精密机床润滑脂、高速铁路轴承润滑脂、盾构机润滑脂等。

 

我国在固体润滑材料领域与发达国家相比有一定差距。由于对汽车和金属加工等领域使用的固体润滑材料研发与应用方面积累不够，我国国产产品的种类及性能与发达国家相比还存在不足。在润滑油脂领域，中国石化润滑油有限公司、中国石油化工股份有限公司润滑油分公司生产的润滑油占据了国内较大的市场份额。近年来它们也都更加重视对高品质润滑油和润滑脂的研发与应用推广工作。

 

兰州化物所高端装备润滑油脂研发团队近年来开展了合成酯类润滑油、特种润滑添加剂、高承载齿轮油、高端润滑脂等研发工作，相关产品先后在矿山冶金、水泥生产、人造板及塑料加工、轨道交通、风力发电等装备运动系统或机构获得规模应用，部分产品替代了进口产品，显著提升了我国在高端润滑材料领域的研发创新能力。

 

刘维民：先进润滑材料已广泛应用于航空航天、钢铁冶金、高速铁路、精密机床、风力发电、海洋工程、核技术等重要工业领域。随着新技术发展，润滑材料研究也面临新挑战。

 

从学科未来发展态势及国家高技术工业对润滑材料的需求来看，未来在科学层面需要回答，摩擦、磨损是如何发生的、能否获得近零摩擦（超润滑）和磨损，润滑材料的研究范式能否革新，润滑材料技术能否更加智能或自适应变工况条件等科学问题。在技术层面，需要突破润滑基础原材料及高端润滑材料产品的制备技术，苛刻环境条件下润滑材料的考核评价技术，装备同寿命周期润滑技术，多功能润滑油脂设计制备技术，润滑产品的绿色化及再生利用技术，生命医学润滑材料等技术瓶颈问题。

 

为了保障我国智能制造、先进制造及重大装备设施的快速发展，必须将润滑材料学科摆在更加重要的战略高度予以考量，用先进材料技术“润滑提速”新时代经济发展。

 

 

刘维民：我国润滑材料学科发展一直秉承面向应用，从实际需求出发，积极探索解决工程领域中的润滑问题。从制造大国向制造强国迈进中，高端制造业、航空航天、交通运输等领域对先进润滑材料的需求更加迫切，要求突破环境适应性、性能稳定性、产品精细化等诸多技术瓶颈。

 

此外，润滑材料和技术研究体现了多学科交叉的特点，需要从机械工程、化学、物理、力学、材料等多个学科方向进行综合研究。由于润滑材料产业资金投入及技术研发投入需求较大，加之涉及的材料种类繁多，研发和生产应用周期较长。

 

鉴于润滑材料、技术在装备中的重要性，以及我国高端润滑材料研发与产业化的滞后现状，建议采取必要措施或政策，积极推进该领域研究和应用，保障我国润滑材料学科健康发展。

 

一是加强基础研究，重视原创性研究成果。国家应继续加大对润滑材料基础研究的支持力度，特别是加大对具有原创性理论与技术的探索研究。同时，鼓励学科交叉研究与跨学科合作。润滑材料是材料科学的一个分支，但严格意义上，润滑材料的设计、制备与工程应用涉及数学、力学、物理学、化学、冶金学、机械工程、材料科学、石油化工等多个学科，润滑材料学科的发展进步与其他交叉学科息息相关。建议国家相关部门设立专项资金，鼓励支持润滑材料领域开展多学科交叉研究。

 

二是强化学术界与产业界合作交流，形成学研产用合作联盟。目前，国内润滑材料领域学术界与产业界技术交流、人才流动等方面互动性有较好的发展势头。国家宜鼓励高校、科研机构针对产业界面临的科学与技术难题开展润滑领域的前瞻性研究，为润滑油脂企业研发生产高端润滑材料提供科学基础和技术支持；重视发挥企业积极性，支持企业与科研院所开展高端润滑产品研发及产品的应用性能和使役行为研究；推动润滑油脂企业的技术进步，促进企业向更高目标和方向迈进，做绿色环保、高效节能、全寿命的引领未来发展的高端产品。通过共建联合实验室、联合研发中心等推动研究机构与生产企业间的合作与交流；将学、研、产、用四方面结合起来，形成战略合作联盟，推动高端润滑材料的研发与生产应用。

 

三是加大投入，重视对高端润滑材料的开发。我国工业化进程还在快速发展阶段，亟需国家及企业重视对高端润滑材料技术的研发，缩小在高端润滑油脂等领域与发达国家的差距。

 

四是重视润滑材料标准化建设工作。随着我国装备制造业的发展以及润滑材料学科的发展，有必要建立中国自己的润滑材料标准，同时应积极参与国际重要润滑材料标准的制定工作，中国石油、中国石化等大型国有龙头企业应发挥骨干引领作用。

 

刘维民：人才是科技创新的主体，润滑材料研究和创新需要大量专业人才接续不断地努力。我们应始终重视人才培养和队伍建设工作。建议国家从以下几个层面着手：

 

在理工类高校及装备制造产业加强润滑知识的教育普及，强化对润滑材料专业人才的培养；鼓励产业界与高校科研院所建立联合人才培养机制，以便更好地为产业界培养输送研发人才，增强产业发展后劲，加强对青年科研骨干的培养与支持工作，鼓励其参加国内外学术、产业会议，同时重视工程技术人才的培养与团队建设工作。在人才队伍建设中，还应重视爱国主义和集体主义的宣传教育，学习新时代科学家精神，造就“忠诚、爱国、担当、奉献”的科研创新团队，打造国家润滑材料研究的战略科技力量。