科研進(jìn)展
蘭州化物所多孔含油聚合物潤滑材料研究取得系列進(jìn)展
相比傳統的固體潤滑和液體潤滑材料，多孔含油聚合物材料具有貫通孔隙結構，經(jīng)浸油處理后形成獨立的“自循環(huán)”微供油體系，可在不需要外在輔助供油設備的前提下為軸承等部件提供持續潤滑等特點(diǎn)，在高端裝備制造和航空、航天等高技術(shù)領(lǐng)域具有重要應用。
近年來(lái)，中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所先進(jìn)潤滑與防護材料研發(fā)中心王廷梅研究員和王齊華研究員帶領(lǐng)的團隊從多孔含油聚合物材料的潤滑機理出發(fā)，設計制備了一系列具有低摩擦磨損性能的新型多孔含油聚合物材料。
目前，多孔含油聚合物材料研究主要集中在制備高孔隙率、大孔徑的多孔基體以存儲更多的潤滑劑，從而降低摩擦磨損。關(guān)于其潤滑機理卻鮮有報道，導致材料設計與開(kāi)發(fā)缺乏理論支持。該團隊率先從多孔聚合物微觀(guān)孔隙結構、表面微區承載和潤滑劑供給等方面開(kāi)展了機理研究。多孔含油聚合物內部浸漬的潤滑劑從孔隙內部遷移至摩擦界面，修復摩擦過(guò)程中破損的潤滑膜以保證部件的平穩運行。內部潤滑劑會(huì )在溫度、壓力或離心力的刺激下連續穩定地供給。與外部供油潤滑相比，含油聚合物材料的摩擦學(xué)行為表現出明顯的差異性，服役工況除了影響材料的機械性能外，更與材料內部潤滑劑的供給密切相關(guān)，其潤滑狀態(tài)和摩擦系數變化趨勢均表現得更加復雜。潤滑油的供給量和服役工況共同決定了多孔含油聚合物材料所處的潤滑狀態(tài)。多孔含油聚合物材料的磨損主要表現為表面微區承載的塑性變形，堵塞孔隙結構使潤滑劑不能及時(shí)供給至界面，導致摩擦系數波動(dòng)較大。相關(guān)成果發(fā)表在Tribology Letters（2020, 68, 102）, Tribology International（2021, 157, 106891；2019, 140, 105728）和《空間控制技術(shù)與應用》（2019, 45, 3）上。
圖1.多孔含油聚合物在溫度刺激下的供油示意圖
該團隊利用表面織構的方法構筑了具有梯度孔隙結構的多孔含油聚酰亞胺復合材料，實(shí)現了潤滑油的梯度存儲和釋放，保證了潤滑油的持續穩定供給，從而獲得優(yōu)異的潤滑性能。與傳統單一孔徑多孔含油材料相比，摩擦系數降低了45.71%，磨損率降低了77.08%。相關(guān)成果發(fā)表在Friction（2022, DOI: 10.1007/s40544-022-0642-5）上。此外，研究人員還通過(guò)在多孔聚合物材料內部構筑“儲油池”，實(shí)現了大油量存儲，提升了材料的含油保持率（油保持率為99%），相關(guān)成果發(fā)表在ACS Appl. Mater. Interfaces（2018, 10, 41699-41706; DOI: 10.1021/acsami.8b15198）上。
圖2.具有梯度孔隙結構的多孔材料的表面和斷面形貌
圖3.內部構筑儲油池的多孔含油聚合物材料的潤滑劑存儲和釋放的示意圖
針對多孔含油材料在離心力作用下的“被動(dòng)”釋放，缺乏按需主動(dòng)調控問(wèn)題，該團隊利用超分子油凝膠的溫度響應相變實(shí)現了多孔含油聚合物材料的按需調控潤滑油釋放。與浸漬常規潤滑油的多孔材料相比，浸漬超分子油凝膠的多孔材料只在溫度刺激下按需釋放，含油保持率從66%提升到了99%。相關(guān)成果發(fā)表在ACS Appl. Mater. Interfaces（2022, 14, 8, 10936–10946; DOI:10.1021/acsami.1c22502）上。
圖4.超分子油凝膠存儲和釋放的示意圖
此外，目前常用做多孔基體骨架的工程塑料難以實(shí)現磨損后的自修復，而常見(jiàn)的自修復材料由于機械強度較低難以滿(mǎn)足工程應用。該團隊利用可相變的潤滑材料在多孔材料表面構筑了一層潤滑層，當潤滑層發(fā)生磨損后可在溫度刺激下釋放內部存儲的相變潤滑劑，實(shí)現了對潤滑層的修復，界面形成的潤滑層避免了多孔骨架的磨損，可實(shí)現數百次的自修復。相關(guān)成果發(fā)表在Tribology International（2022, 165, 107303, DOI:10.1016/j.triboint.2021.107303）上。
圖5.潤滑層的自修復機制
近五年來(lái)，該團隊相繼突破了新型孔隙結構設計制備、孔隙率和機械強度兼容、孔隙均勻性和批產(chǎn)穩定性控制等關(guān)鍵技術(shù)，獲得中國發(fā)明專(zhuān)利授權16件。
上述研究工作得到了國家自然科學(xué)基金、中科院戰略性先導科技專(zhuān)項（C類(lèi)）、中科院西部之光西部青年學(xué)者A類(lèi)、中科院青年創(chuàng )新促進(jìn)會(huì )等項目的支持。
