科研進展
蘭州化物所PPS/PTFE纖維織物自潤滑復(fù)合材料研究取得系列進展
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(wěn)定性，在摩擦學(xué)工程領(lǐng)域具有重要應(yīng)用潛力。但是，隨著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(fù)合材料作為關(guān)節(jié)軸承核心材料，其在極端工況下的使役性能面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。
近年來，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(fù)合潤滑材料課題組針對纖維織物自潤滑復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計、制備工藝及其摩擦學(xué)性能進行深入研究，開發(fā)的多種高性能纖維織物自潤滑復(fù)合材料已實現(xiàn)工程化應(yīng)用。
研究人員重點圍繞兩個方向開展PPS/PTFE纖維織物自潤滑復(fù)合材料的性能優(yōu)化，通過引入增強材料對織物復(fù)合材料進行功能化改性，利用協(xié)同效應(yīng)提升復(fù)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行界面改性，實現(xiàn)纖維-樹脂的化學(xué)鍵合，提升纖維與樹脂之間的界面結(jié)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(fù)合材料體系，實驗證實MXene基功能增強材料可顯著提升織物復(fù)合材料的熱穩(wěn)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，研究人員通過系統(tǒng)篩選優(yōu)化界面處理策略，發(fā)現(xiàn)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。實驗結(jié)果顯示，BSA處理使纖維表面粗糙度顯著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機械互鎖效應(yīng)與化學(xué)鍵合協(xié)同作用，使纖維-樹脂界面粘接強度有效提升，進而改善纖維織物自潤滑復(fù)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(fù)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(chǔ)，制備了具有核殼結(jié)構(gòu)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(fù)合材料力學(xué)性能，內(nèi)核正二十二烷通過相變作用吸收摩擦熱并實現(xiàn)局部固-液協(xié)同潤滑，同時二維材料Ti3C2Tx憑借其層間滑移特性和高承載能力有效降低復(fù)合材料的摩擦損傷。實驗數(shù)據(jù)表明，引入該微膠囊后纖維織物自潤滑復(fù)合材料的摩擦系數(shù)由0.053降至0.046，磨損率由8.9×10-14m3 (N·m)-1顯著降低至3.5×10-14m3(N·m)-1。研究團隊通過多種表征技術(shù)系統(tǒng)解析了摩擦膜的微觀形貌演變規(guī)律，闡明了織物復(fù)合材料的減摩抗磨作用機制，為核殼結(jié)構(gòu)材料在摩擦學(xué)領(lǐng)域的創(chuàng)新應(yīng)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(yīng)機理示意圖
圖2. 增強纖維織物自潤滑復(fù)合材料的摩擦膜微觀結(jié)構(gòu)
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(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項和甘肅省重大科技專項等項目的支持。
