科研進(jìn)展
蘭州化物所PPS/PTFE纖維織物自潤滑復合材料研究取得系列進(jìn)展
聚苯硫醚（Polyphenylene sulfide,PPS）纖維因其突出的機械強度、本質(zhì)阻燃特性及卓越化學(xué)穩定性，在摩擦學(xué)工程領(lǐng)域具有重要應用潛力。但是，隨著(zhù)航空裝備迭代升級與高新技術(shù)融合發(fā)展，纖維織物自潤滑復合材料作為關(guān)節軸承核心材料，其在極端工況下的使役性能面臨嚴峻挑戰。
近年來(lái)，中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所蘭州潤滑材料與技術(shù)創(chuàng )新中心復合潤滑材料課題組針對纖維織物自潤滑復合材料的結構設計、制備工藝及其摩擦學(xué)性能進(jìn)行深入研究，開(kāi)發(fā)的多種高性能纖維織物自潤滑復合材料已實(shí)現工程化應用。
研究人員重點(diǎn)圍繞兩個(gè)方向開(kāi)展PPS/PTFE纖維織物自潤滑復合材料的性能優(yōu)化，通過(guò)引入增強材料對織物復合材料進(jìn)行功能化改性，利用協(xié)同效應提升復合材料的承載能力和自潤滑特性；采用等離子處理、化學(xué)吸附等方法對纖維表面進(jìn)行界面改性，實(shí)現纖維-樹(shù)脂的化學(xué)鍵合，提升纖維與樹(shù)脂之間的界面結合強度。研究人員制備了系列MXene基功能增強材料 (?DOPO-HQ-IPTS@Ti3C2Tx，Ti3C2Tx-h-BN?)，并將其引入PPS/PTFE纖維織物自潤滑復合材料體系，實(shí)驗證實(shí)MXene基功能增強材料可顯著(zhù)提升織物復合材料的熱穩定性、拉伸強度及摩擦學(xué)性能，相關(guān)成果發(fā)表在Tribology International?(?https://doi.org/10.1016/j.triboint.2022.108136，https://doi.org/10.1016/j.triboint.2024.109341?)上。
在界面優(yōu)化方面，研究人員通過(guò)系統篩選優(yōu)化界面處理策略，發(fā)現基于牛血清白蛋白（BSA）的生物分子修飾可有效改善纖維表面特性。實(shí)驗結果顯示，BSA處理使纖維表面粗糙度顯著(zhù)增加且成功引入氨基、羧基等活性官能團。這種多尺度改性策略通過(guò)機械互鎖效應與化學(xué)鍵合協(xié)同作用，使纖維-樹(shù)脂界面粘接強度有效提升，進(jìn)而改善纖維織物自潤滑復合材料的摩擦磨損性能，相關(guān)成果發(fā)表在Tribology International?(?https://doi.org/10.1016/j.triboint.2023.108587?)和Friction?( https://doi.org/10.26599/FRICT.2025.9440914 )上。
近期，針對纖維織物自潤滑復合材料摩擦學(xué)性能協(xié)同優(yōu)化的技術(shù)難題，研究團隊基于前期研究基礎，制備了具有核殼結構的Ti3C2/SA/TiO2-MePCM相變微膠囊。該微膠囊以機械強度優(yōu)異的二氧化鈦為殼層增強復合材料力學(xué)性能，內核正二十二烷通過(guò)相變作用吸收摩擦熱并實(shí)現局部固-液協(xié)同潤滑，同時(shí)二維材料Ti3C2Tx憑借其層間滑移特性和高承載能力有效降低復合材料的摩擦損傷。實(shí)驗數據表明，引入該微膠囊后纖維織物自潤滑復合材料的摩擦系數由0.053降至0.046，磨損率由8.9×10-14m3 (N·m)-1顯著(zhù)降低至3.5×10-14m3(N·m)-1。研究團隊通過(guò)多種表征技術(shù)系統解析了摩擦膜的微觀(guān)形貌演變規律，闡明了織物復合材料的減摩抗磨作用機制，為核殼結構材料在摩擦學(xué)領(lǐng)域的創(chuàng )新應用提供了理論支撐。
圖1. Ti3C2Tx修飾相變微膠囊的合成策略及反應機理示意圖
圖2. 增強纖維織物自潤滑復合材料的摩擦膜微觀(guān)結構
相關(guān)工作發(fā)表在Tribology International(https://doi.org/10.1016/j.triboint.2024.110038)。何要輝博士為論文第一作者，張招柱研究員為通訊作者。
以上工作得到了國家自然科學(xué)基金委、中國科學(xué)院戰略性先導科技專(zhuān)項和甘肅省重大科技專(zhuān)項等項目的支持。
