接触式机械密封,因其具有密封性能好、工作可靠、泄漏量小等优点,被广泛应用于火箭发动机涡轮泵、核主泵等极端工况旋转设备中,其结构设计与摩擦学研究一直是重点和难点。因此本文以极端工况机械密封的结构设计和摩擦学性能试验为主要研究内容,进行了机械密封结构和工艺的一体化设计、密封环温度场有限元仿真及相容性设计和极端工况机械密封摩擦学性能试验研究。主要研究内容如下:首先,针对极端工况机械密封的工作特点,提出了机械密封结构与工艺的一体化设计思路。采用公理化设计方法获得了机械密封一体化设计模型,并确定了机械密封设计的关键参数。其次,针对机械密封结构与选材不相匹配的问题,研究了静环石墨与不锈钢相容性设计方法,借助ANSYS有限元软件,确定了石墨与不锈钢最佳相容性镶嵌位置。为进一步提高机械密封的使用可靠性,提出了一种耐高温石墨的制备工艺,并设计了制备流程。最后,为了评价所设计的机械密封在使用过程中的可靠性,开展了动环材料的耐高温摩擦磨损、静环与动环材料配副的摩擦磨损试验研究,分析了摩擦系数、磨损量以及石墨磨损后表面形貌。本文还开展了机械密封动、静环润滑状态润滑膜厚度分布的超声测量,引入了超声测量技术,利用超声弹簧法构建了机械密封润滑膜厚度分布的检测模型,并在模拟测量装置上进行了润滑膜厚度分布的检测试验。综上所述,本文研究了极端工况机械密封的结构设计和摩擦学性能试验,研究结果表明:采用公理化设计方法,对于实现机械密封结构与工艺的一体化设计是可行的;相容性设计,从结构与材料相匹配的角度深化了密封的结构设计,目的是提高机械密封的使用性能;通过对配副材料摩擦学性能的分析,得出了浸渍石墨与9Cr18配副材料使用环境温度在150～200℃之间磨损性能较佳,石墨具有较好的抗磨减磨性能。