聚苯硫醚（Polyphenylene sulfide,PPS）纖維因其突出的機(jī)械強(qiáng)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(jí)與高新技術(shù)融合發(fā)展，纖維織物自潤(rùn)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(lái)，中國(guó)科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所蘭州潤(rùn)滑材料與技術(shù)創(chuàng)新中心復(fù)合潤(rùn)滑材料課題組針對(duì)纖維織物自潤(rùn)滑復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、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(rùn)滑復(fù)合材料已實(shí)現(xiàn)工程化應(yīng)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(rùn)滑復(fù)合材料的性能優(yōu)化，通過(guò)引入增強(qiáng)材料對(duì)織物復(fù)合材料進(jìn)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(rùn)滑特性；采用等離子處理、化學(xué)吸附等方法對(duì)纖維表面進(jìn)行界面改性，實(shí)現(xiàn)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(jié)合強(qiáng)度。研究人員制備了系列MXene基功能增強(qiáng)材料 (?DOPO-HQ-IPTS@Ti₃C₂T_x，Ti₃C₂T_x-h-BN?)，并將其引入PPS/PTFE纖維織物自潤(rùn)滑復(fù)合材料體系，實(shí)驗(yàn)證實(shí)MXene基功能增強(qiáng)材料可顯著提升織物復(fù)合材料的熱穩(wěn)定性、拉伸強(qiáng)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(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(shí)驗(yàn)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(tuán)。這種多尺度改性策略通過(guò)機(jī)械互鎖效應(yīng)與化學(xué)鍵合協(xié)同作用，使纖維-樹(shù)脂界面粘接強(qiáng)度有效提升，進(jìn)而改善纖維織物自潤(rùn)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(duì)纖維織物自潤(rùn)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(tuán)隊(duì)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(jī)械強(qiáng)度優(yōu)異的二氧化鈦為殼層增強(qiáng)復(fù)合材料力學(xué)性能，內(nèi)核正二十二烷通過(guò)相變作用吸收摩擦熱并實(shí)現(xiàn)局部固-液協(xié)同潤(rùn)滑，同時(shí)二維材料Ti₃C₂T_x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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，引入該微膠囊后纖維織物自潤(rùn)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(tuán)隊(duì)通過(guò)多種表征技術(shù)系統(tǒng)解析了摩擦膜的微觀(guān)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(jī)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. Ti₃C₂T_x修飾相變微膠囊的合成策略及反應(yīng)機(jī)理示意圖

圖2. 增強(qiáng)纖維織物自潤(rùn)滑復(fù)合材料的摩擦膜微觀(guān)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(guó)家自然科學(xué)基金委、中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專(zhuān)項(xiàng)和甘肅省重大科技專(zhuān)項(xiàng)等項(xiàng)目的支持。