科研進展
蘭州化物所CF/PTFE纖維織物自潤滑復(fù)合材料研究獲新進展
纖維織物自潤滑復(fù)合材料作為高端裝備潤滑系統(tǒng)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。該類材料以關(guān)節(jié)軸承、滑動軸承及推力軸承的形式應(yīng)用于航空航天等裝備的關(guān)鍵運動部位，自潤滑復(fù)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(gòu)建出高性能復(fù)合潤滑材料的核心架構(gòu)，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(yīng)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(fù)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(guān)鍵技術(shù)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(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)合材料已經(jīng)實現(xiàn)工程化應(yīng)用。
針對CF/PTFE纖維織物自潤滑復(fù)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(shè)計并制備了Cr2AlC@CeO2核殼結(jié)構(gòu)的雜化增強材料，將其引入CF/PTFE纖維織物自潤滑復(fù)合材料體系，利用雜化材料的協(xié)同增強效應(yīng)提升復(fù)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(fù)合材料的熱穩(wěn)定性和摩擦學性能，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惰性，導(dǎo)致其復(fù)合材料的界面結(jié)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(fù)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(chǔ)，在界面優(yōu)化改性方面提出了新思路。團隊首次將BiOBr應(yīng)用于摩擦學領(lǐng)域，并提出了“軟-硬-軟”多級結(jié)構(gòu)的設(shè)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(gòu)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(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(jié)構(gòu)的設(shè)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(yīng)顯著提升了復(fù)合材料的摩擦學性能和熱穩(wěn)定性。實驗結(jié)果表明，界面改性后的復(fù)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(jié)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(fù)合材料和對偶面的直接接觸，從而提升了復(fù)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(fù)合材料具有優(yōu)異的界面結(jié)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(fù)合層為后續(xù)BiOBr納米片的生長提供活性位點，PEI-PA復(fù)合層能夠增強對Bi3+的吸附能力，促進BiOBr成核。“硬”結(jié)構(gòu)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(jié)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(luò)結(jié)構(gòu)具有獨特的力學適應(yīng)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(yīng)特性有助于緩解局部應(yīng)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(luò)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(fù)合材料的界面結(jié)合強度。
圖3.CF/PTFE纖維織物復(fù)合材料的TGA曲線（a）、粘結(jié)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(yīng)元素映射（l1-l6）
團隊人員在此基礎(chǔ)上提出了在纖維織物表面構(gòu)建“軟-硬-軟”結(jié)構(gòu)增強復(fù)合材料的摩擦學性能的磨損機理。未經(jīng)改性的復(fù)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(luò)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(fù)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(fù)合材料的摩擦機理和增強機理。
這一多層次功能化設(shè)計策略為 CF/PTFE 織物復(fù)合材料在高速摩擦環(huán)境中的應(yīng)用開辟了新路徑，其仿生多級結(jié)構(gòu)設(shè)計思路可為其他高性能復(fù)合材料的開發(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基金、中國科學院戰(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。
