机械密封是工业生产中常用的动态密封装置。密封端面在高速、高压、低速启停等工况下容易发生显著的摩擦磨损和泄漏现象,通过在密封端面加工出规律分布的织构形貌可以有效改善机械密封装置的密封性能、延长服役寿命。目前,针对织构化机械密封的研究主要集中在单一织构形貌,对复合织构类型的研究主要以试验为主。本文将理论与试验相结合,研究跨尺度复合织构形貌及其几何参数对密封性能的影响规律,并揭示跨尺度复合织构化机械密封的润滑减摩及密封机理。首先,基于质量守恒空化边界条件,建立了跨尺度复合织构化端面数学模型,利用多重网格法对跨尺度复合织构化端面、微凹坑端面、螺旋槽端面的流场压力分布进行求解,并分析跨尺度复合织构及其几何参数对机械密封性能的影响规律。研究结论如下:密封端面上的微凹坑和螺旋槽会形成收敛区和发散区,坑槽耦合的动态压力可以有效地增强端面液膜的承载能力,实现端面非接触密封;跨尺度复合织构的几何参数对机械密封性能的影响具有规律性,模拟工况下,存在最佳几何参数使得密封性能最优。然后,利用FM-UVPM-3A超精细加工系统在机械密封动环端面加工出跨尺度复合织构形貌。并使用激光共聚焦显微镜对微凹坑和螺旋槽的三维形貌和几何参数进行测量,进而分析跨尺度复合织构形貌质量。结果表明:基于合理的皮秒激光加工参数,采用多脉冲扫描方式可以加工出高质量跨尺度复合织构形貌,且微凹坑的截面近似呈抛物线状、螺旋槽呈矩形,与理论假设相一致。最后,利用NHMSTS-5型机械密封性能试验台对跨尺度复合织构化端面和无织构化端面进行密封性能试验研究,探究密封介质压力和转速对跨尺度复合织构化机械密封密封性能的影响规律。研究结果表明:静压试验和运转试验中,跨尺度复合织构化端面具有良好的密封性,未发生明显泄漏现象;跨尺度复合织构端面的摩擦转矩随密封介质压力增大而增大,随着转速增大而减小。且在不同工况下,跨尺度复合织构化端面的瞬时摩擦转矩波动较小,密封系统稳定性高;跨尺度复合织构化机械密封具有广泛的适应性,在高速低压、高速高压、低速低压等工况下摩擦性能均能显著优于无织构端面,摩擦转矩最大可降低55%。