科研進(jìn)展
蘭州化物所自潤(rùn)滑纖維織物復(fù)合材料研究獲系列進(jìn)展
自潤(rùn)滑纖維織物復(fù)合材料作為自潤(rùn)滑軸承的關(guān)鍵組成部分，具有高承載、耐磨損和免維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于飛機(jī)起落架、襟副翼、旋翼系統(tǒng)等部位。
近年來(lái)，中國(guó)科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所先進(jìn)潤(rùn)滑與防護(hù)材料研究發(fā)展中心復(fù)合潤(rùn)滑材料課題組圍繞自潤(rùn)滑纖維織物復(fù)合材料在基礎(chǔ)研究和工程化應(yīng)用方面開(kāi)展了系列研究工作，研制的多種纖維織物自潤(rùn)滑復(fù)合材料得到了工程化應(yīng)用。
聚對(duì)苯撐苯并噁唑纖維（PBO）具有優(yōu)異的力學(xué)性能、化學(xué)和熱穩(wěn)定性，在摩擦學(xué)領(lǐng)域具有巨大應(yīng)用價(jià)值。PBO纖維增強(qiáng)的自潤(rùn)滑織物復(fù)合材料在重載、高速等復(fù)雜苛刻服役工況下，材料內(nèi)部微結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，樹(shù)脂基體發(fā)生降解和剝落，導(dǎo)致自潤(rùn)滑軸承等機(jī)械零部件使用壽命下降。層狀硅酸鹽片層間作用力較弱，在摩擦剪切作用下易發(fā)生片層滑移，形成活性二級(jí)粒子吸附在鋼對(duì)偶面，同時(shí)，硅酸鹽晶體結(jié)構(gòu)破壞釋放出大量懸空鍵可誘發(fā)摩擦化學(xué)反應(yīng)，進(jìn)而改善材料的摩擦學(xué)性能。
據(jù)此，該團(tuán)隊(duì)制備了多種層狀硅酸鹽基功能材料，研究了其改性PBO纖維增強(qiáng)自潤(rùn)滑織物復(fù)合材料的摩擦學(xué)性能，相關(guān)研究成果發(fā)表在Tribol Int(2022,168,107424；2022,174,107689；2023,179,108104)，J Colloid Interf Sci (2022,611,480-490)，Friction (2023, 11(12),2238-2252)上。
圖1 (a) Kaolin, (b) Kaolin/AgNPs雜化體, (c) HNTs, (d) HNTs /AuNPs雜化體
圖2 HNTs/Au@[HMIm][NTf2]微膠囊制備示意圖
基于層狀硅酸鹽改性PBO纖維增強(qiáng)自潤(rùn)滑織物復(fù)合材料摩擦學(xué)性能的研究，研究人員利用酸刻蝕擴(kuò)大HNTs內(nèi)徑以提高其負(fù)載能力，再用APTES修飾HNTs以捕獲3-6nm的AuNPs在HNTs表面，利用真空注入離子液體制備了微膠囊HNTs/Au@[HMIm][NTf2]。該微膠囊的加入使得自潤(rùn)滑織物復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和熱導(dǎo)率得到提升，磨損率降低了58%，在對(duì)偶面形成了厚度約40nm的摩擦膜。
圖3 HNTs/Au@[HMIm][NTf2]微膠囊的結(jié)構(gòu)表征與成分分析
圖4 微膠囊改性PBO增強(qiáng)纖維織物復(fù)合材料的摩擦學(xué)性能
研究人員對(duì)摩擦膜進(jìn)行了深入分析，認(rèn)為微膠囊主要以鋪展-吸附和摩擦化學(xué)兩種機(jī)制發(fā)揮抗摩效應(yīng)。摩擦過(guò)程中層狀硅酸鹽進(jìn)入摩擦界面，發(fā)生解離、破碎和片層滑移，吸附或填補(bǔ)到摩擦副表面；在機(jī)械研磨和摩擦熱作用下對(duì)偶鋼表面大量Fe被活化，HNTs晶體破壞產(chǎn)生的活性基團(tuán)Si-、-Si-O-、-Mg-OH和活性Fe間接形成Si-O-Fe，Mg-O-Fe金屬陶瓷相，[HMIm][NTf2]所含活性元素F、S和活性Fe反應(yīng)形成FeF2和FeS，以及生成的鐵氧化物如Fe2O3、Fe3O4和FeO等共同存在于摩擦膜中，提高了復(fù)合材料的耐磨性。
圖5 摩擦膜的結(jié)構(gòu)與成分分析
相關(guān)成果以“Mono-dispersed AuNPs decorated enlarged halloysite nanotubes to encapsulate [HMIm][NTf2] microcapsules for improving the wear resistance of composites”為題發(fā)表在Composites:Part A（https://doi.org/10.1016/j.compositesa.2023.107752）上。王彥玲博士為論文第一作者，張招柱研究員和楊明明副研究員為共同通訊作者。
相關(guān)研究獲中國(guó)發(fā)明專利授權(quán)3件（ZL 202210710430.7, ZL 202110640613.1，ZL 202211417780.0）。
以上研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委的支持。
