科研進(jìn)展
蘭州化物所CF/PTFE纖維織物自潤滑復合材料研究獲新進(jìn)展
纖維織物自潤滑復合材料作為高端裝備潤滑系統的關(guān)鍵功能材料，在降低機械摩擦、控制磨損、提升裝備運行效率與服役壽命方面發(fā)揮非常重要的作用。該類(lèi)材料以關(guān)節軸承、滑動(dòng)軸承及推力軸承的形式應用于航空航天等裝備的關(guān)鍵運動(dòng)部位，自潤滑復合材料的整體性能對裝備的服役穩定性與可靠性具有決定性影響。
在各類(lèi)合成纖維中，碳纖維（CF）具有卓越的比強度、高模量及優(yōu)異的熱穩定性，與聚四氟乙烯纖維（PTFE）所具備的極低摩擦系數、自潤滑特性互補，共同構建出高性能復合潤滑材料的核心架構，成為滿(mǎn)足航空航天極端工況要求的重要材料體系。然而，隨著(zhù)航空裝備不斷向超高速、長(cháng)壽命及高環(huán)境適應性方向迭代升級，傳統纖維織物自潤滑材料在高速重載、寬溫域交變及多場(chǎng)耦合等極端條件下的長(cháng)期服役穩定性，正面臨前所未有的挑戰。纖維織物自潤滑復合材料摩擦學(xué)性能下降、界面處失效等問(wèn)題，已成為制約高端裝備性能突破的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸，亟待開(kāi)展深入系統的材料創(chuàng )新與機理研究。
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經(jīng)實(shí)現工程化應用。
針對CF/PTFE纖維織物自潤滑復合材料的承載能力和低摩擦性能難以兼顧的技術(shù)難題，研究人員設計并制備了Cr2AlC@CeO2核殼結構的雜化增強材料，將其引入CF/PTFE纖維織物自潤滑復合材料體系，利用雜化材料的協(xié)同增強效應提升復合材料的承載能力和潤滑性能。實(shí)驗證實(shí)Cr2AlC@CeO2功能增強材料可顯著(zhù)提升織物復合材料的熱穩定性和摩擦學(xué)性能，相關(guān)成果發(fā)表在Friction上。
眾所周知，CF和PTFE纖維表面具有強化學(xué)惰性，導致其復合材料的界面結合性能差。在上述工作進(jìn)行摩擦學(xué)性能評價(jià)的過(guò)程中，存在大量纖維與樹(shù)脂基體脫黏拔出的現象，對復合材料的整體性能的發(fā)揮產(chǎn)生不利影響。近日，研究團隊基于前期研究基礎，在界面優(yōu)化改性方面提出了新思路。團隊首次將BiOBr應用于摩擦學(xué)領(lǐng)域，并提出了“軟-硬-軟”多級結構的設計思路，通過(guò)化學(xué)浴、水熱生長(cháng)和層層自組裝方法在CF/PTFE織物表面依次構建了化學(xué)交聯(lián)的“軟”基底層（PEI/PA）、垂直取向的“硬”中間層（BiOBr納米片）以及動(dòng)態(tài)配位的“軟”外層（TA/Fe3+金屬-多酚網(wǎng)絡(luò )）。其改性前后的纖維表面形貌如圖1所示。
圖1.CF/PTFE纖維織物的SEM圖像
這種“軟-硬-軟”多級結構的設計不僅增強了CF/PTFE纖維織物與樹(shù)脂基體之間的界面相互作用，還通過(guò)多尺度協(xié)同效應顯著(zhù)提升了復合材料的摩擦學(xué)性能和熱穩定性。實(shí)驗結果表明，界面改性后的復合材料磨損率和摩擦系數分別降低了64.5%和36.4%，并且FIB-TEM結果表明其摩擦膜呈現獨特的分層現象（圖2），在靠近對偶側形成了一層均勻的“富Bi層”，形成的富Bi層摩擦膜隔離了復合材料和對偶面的直接接觸，從而提升了復合材料的摩擦學(xué)性能。
圖2. TA/BiOBr@FC（a）和純FC（c）摩擦膜截面TEM圖像;TA/BiOBr@FC（b）和純FC（d）摩擦膜的HR-TEM圖像
剝離試驗表明，該復合材料具有優(yōu)異的界面結合強度，界面剝離強度提升53.3%。在CF/PTFE纖維織物表面生長(cháng)軟-硬-軟界面，最內層PEI-PA復合層為后續BiOBr納米片的生長(cháng)提供活性位點(diǎn)，PEI-PA復合層能夠增強對Bi3+的吸附能力，促進(jìn)BiOBr成核?！坝病苯Y構BiOBr納米片的垂直生長(cháng)顯著(zhù)增加纖維織物表面粗糙度，與后續TA/Fe3+層和酚醛樹(shù)脂形成物理互鎖，提升界面結合強度。最后，TA中鄰苯二酚/三酚基團與Fe3+通過(guò)Fe-O配位鍵形成的三維網(wǎng)絡(luò )結構具有獨特的力學(xué)適應性，在受到剝離力作用時(shí)能夠發(fā)生一定程度的變形和能量耗散，這種動(dòng)態(tài)的力學(xué)響應特性有助于緩解局部應力，進(jìn)一步延緩裂紋的發(fā)展，織物界面從微觀(guān)到宏觀(guān)形成了物理錨定-化學(xué)鍵合-動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò )的多級增強體系,界面失效模式從粘合失效轉變?yōu)閮染凼?，從而顯著(zhù)提高整個(gè)復合材料的界面結合強度。
圖3.CF/PTFE纖維織物復合材料的TGA曲線(xiàn)（a）、粘結強度（b）和界面增強機理（c）;純FC、BiOBr@FC和TA/BiOBr@FC剝離后織物截面上CF（d-f）和PTFE纖維（d1-f1）的SEM圖像;Pure FC（g-i）和TA/BiOBr@FC（j-l）剝離后金屬基板表面的SEM圖像;l的相應元素映射（l1-l6）
團隊人員在此基礎上提出了在纖維織物表面構建“軟-硬-軟”結構增強復合材料的摩擦學(xué)性能的磨損機理。未經(jīng)改性的復合材料在受到外部擠壓和剪切力的作用下，出現大量的微裂紋并伴隨纖維嚴重拔出斷裂，隨后在對偶表面形成不均勻不連續的摩擦膜。而TA/BiOBr@FC經(jīng)由表界面改性，織物界面從微觀(guān)到宏觀(guān)形成了化學(xué)鍵合-物理錨定-動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò )的多級增強體系，避免纖維-樹(shù)脂界面脫黏和纖維拔出，顯著(zhù)提升了CF/PTFE纖維織物復合材料的界面性能和摩擦學(xué)性能。
圖4. “軟-硬-軟”界面協(xié)同增強復合材料的摩擦機理和增強機理。
這一多層次功能化設計策略為 CF/PTFE 織物復合材料在高速摩擦環(huán)境中的應用開(kāi)辟了新路徑，其仿生多級結構設計思路可為其他高性能復合材料的開(kāi)發(fā)提供重要參考。相關(guān)成果發(fā)表在Composites Part B: Engineering上。張悅碩士為該論文的第一作者，楊明明副研究員和張招柱研究員為共同通訊作者。
上述研究工作得到了國家自然科學(xué)基金、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。
