科研進展
蘭州化物所CF/PTFE纖維織物自潤滑復合材料研究獲新進展
纖維織物自潤滑復合材料作為高端裝備潤滑系統(tǒng)的關鍵功能材料，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。該類材料以關節(jié)軸承、滑動軸承及推力軸承的形式應用于航空航天等裝備的關鍵運動部位，自潤滑復合材料的整體性能對裝備的服役穩(wěn)定性與可靠性具有決定性影響。
在各類合成纖維中，碳纖維（CF）具有卓越的比強度、高模量及優(yōu)異的熱穩(wěn)定性，與聚四氟乙烯纖維（PTFE）所具備的極低摩擦系數(shù)、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，成為滿足航空航天極端工況要求的重要材料體系。然而，隨著航空裝備不斷向超高速、長壽命及高環(huán)境適應性方向迭代升級，傳統(tǒng)纖維織物自潤滑材料在高速重載、寬溫域交變及多場耦合等極端條件下的長期服役穩(wěn)定性，正面臨前所未有的挑戰(zhàn)。纖維織物自潤滑復合材料摩擦學性能下降、界面處失效等問題，已成為制約高端裝備性能突破的關鍵技術瓶頸，亟待開展深入系統(tǒng)的材料創(chuàng)新與機理研究。
近年來，中國科學院蘭州化學物理研究所蘭州潤滑材料與技術創(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合材料已經(jīng)實現(xiàn)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。實驗證實Cr2AlC@CeO2功能增強材料可顯著提升織物復合材料的熱穩(wěn)定性和摩擦學性能，相關成果發(fā)表在Friction上。
眾所周知，CF和PTFE纖維表面具有強化學惰性，導致其復合材料的界面結合性能差。在上述工作進行摩擦學性能評價的過程中，存在大量纖維與樹脂基體脫黏拔出的現(xiàn)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應用于摩擦學領域，并提出了“軟-硬-軟”多級結構的設計思路，通過化學浴、水熱生長和層層自組裝方法在CF/PTFE織物表面依次構建了化學交聯(lián)的“軟”基底層（PEI/PA）、垂直取向的“硬”中間層（BiOBr納米片）以及動態(tài)配位的“軟”外層（TA/Fe3+金屬-多酚網(wǎng)絡）。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纖維織物與樹脂基體之間的界面相互作用，還通過多尺度協(xié)同效應顯著提升了復合材料的摩擦學性能和熱穩(wěn)定性。實驗結果表明，界面改性后的復合材料磨損率和摩擦系數(shù)分別降低了64.5%和36.4%，并且FIB-TEM結果表明其摩擦膜呈現(xiàn)獨特的分層現(xiàn)象（圖2），在靠近對偶側(cè)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纖維織物表面生長軟-硬-軟界面，最內(nèi)層PEI-PA復合層為后續(xù)BiOBr納米片的生長提供活性位點，PEI-PA復合層能夠增強對Bi3+的吸附能力，促進BiOBr成核。“硬”結構BiOBr納米片的垂直生長顯著增加纖維織物表面粗糙度，與后續(xù)TA/Fe3+層和酚醛樹脂形成物理互鎖，提升界面結合強度。最后，TA中鄰苯二酚/三酚基團與Fe3+通過Fe-O配位鍵形成的三維網(wǎng)絡結構具有獨特的力學適應性，在受到剝離力作用時能夠發(fā)生一定程度的變形和能量耗散，這種動態(tài)的力學響應特性有助于緩解局部應力，進一步延緩裂紋的發(fā)展，織物界面從微觀到宏觀形成了物理錨定-化學鍵合-動態(tài)網(wǎng)絡的多級增強體系,界面失效模式從粘合失效轉(zhuǎn)變?yōu)閮?nèi)聚失效，從而顯著提高整個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（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(xiàn)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(xù)的摩擦膜。而TA/BiOBr@FC經(jīng)由表界面改性，織物界面從微觀到宏觀形成了化學鍵合-物理錨定-動態(tài)網(wǎng)絡的多級增強體系，避免纖維-樹脂界面脫黏和纖維拔出，顯著提升了CF/PTFE纖維織物復合材料的界面性能和摩擦學性能。
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發(fā)提供重要參考。相關成果發(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基金、中國科學院戰(zhàn)略性先導科技專項和甘肅省重大科技專項等項目的支持。
