科研進(jìn)展
蘭州化物所聚合物-金屬互穿相復(fù)合材料功能化設(shè)計(jì)研究獲系列進(jìn)展
在聚合物復(fù)合潤(rùn)滑材料領(lǐng)域，現(xiàn)有方法主要采用零維、一維或二維功能填料復(fù)合改性，功能填料含量較低往往不足以形成連續(xù)相。聚合物仍然是復(fù)合材料內(nèi)唯一的連續(xù)相，導(dǎo)致其力學(xué)強(qiáng)度、導(dǎo)熱性能和耐磨性能在很大程度上受制于聚合物基體。
中國(guó)科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所潤(rùn)滑材料全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室聚合物摩擦學(xué)課題組，以三維連續(xù)金屬骨架為增強(qiáng)相，以研制聚四氟乙烯樹脂細(xì)粉或乳液為基體，采用液相浸漬、熱燒結(jié)制備泡沫金屬-聚四氟乙烯互穿相復(fù)合材料，通過(guò)結(jié)構(gòu)參數(shù)調(diào)控、基體改性、界面構(gòu)筑和基體/界面協(xié)同改性方法，拓展了泡沫金屬-聚四氟乙烯互穿相復(fù)合材料在潤(rùn)滑領(lǐng)域的功能化應(yīng)用。
研究人員研究了金屬骨架材料、孔隙率和面密度對(duì)連續(xù)相復(fù)合材料性能的影響規(guī)律，結(jié)果表明，泡沫鎳與聚四氟乙烯具有最優(yōu)的親和性，表現(xiàn)為良好的界面結(jié)合與高填充率。隨孔隙率降低、面密度增加，泡沫金屬-聚四氟乙烯互穿相復(fù)合材料力學(xué)強(qiáng)度、摩擦磨損性能、導(dǎo)熱性能均隨之升高。特別是，以2%體積分?jǐn)?shù)、孔隙率80%泡沫鎳增強(qiáng)聚四氟乙烯復(fù)合材料時(shí)，拉伸強(qiáng)度超過(guò)50 MPa，導(dǎo)熱系數(shù)達(dá)15.26 W/(m·K)，磨損率下降98.7%，解決了傳統(tǒng)聚四氟乙烯復(fù)合材料增強(qiáng)效果受制于基體的瓶頸問(wèn)題。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在 Friction（2025, 13(5): 9440948）和Tribology International（2025: 111346）上。
圖1. 泡沫鎳-聚四氟乙烯互穿相復(fù)合材料孔隙率分析
圖2. 泡沫鎳-聚四氟乙烯互穿相復(fù)合材料磨損機(jī)制及性能
研究人員還研究了無(wú)機(jī)填料引入對(duì)泡沫鎳-聚四氟乙烯互穿相復(fù)合材料性能的增強(qiáng)機(jī)制，結(jié)果表明，碳納米管在三維微米泡沫鎳表面形成納米網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，促進(jìn)了界面應(yīng)力傳遞與熱量耗散，顯著提升了力學(xué)強(qiáng)度與導(dǎo)熱性能。得益于泡沫鎳與碳納米管形成的三維微/納網(wǎng)絡(luò)，復(fù)合材料輸出電流提高至1.5μA，是純聚四氟乙烯的30倍。摩擦起電響應(yīng)長(zhǎng)效穩(wěn)定，與不同摩擦副具有普適性，展示了互穿相復(fù)合材料具備優(yōu)異導(dǎo)電特性，可作為高效能量收集的摩擦電材料。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在Small（2025, 21(5):2409607）上。
圖3. 微納復(fù)合網(wǎng)絡(luò)增強(qiáng)泡沫鎳-聚四氟乙烯復(fù)合材料設(shè)計(jì)
針對(duì)泡沫金屬與聚四氟乙烯異質(zhì)界面結(jié)合弱的問(wèn)題，研究人員采用氟硅烷偶聯(lián)劑對(duì)泡沫鎳三維連續(xù)界面進(jìn)行液相氟化改性，同時(shí)在基體中引入少量氟化石墨。結(jié)果表明，界面-基體“雙氟化”的設(shè)計(jì)有效增強(qiáng)了泡沫鎳與聚四氟乙烯之間的界面結(jié)合，從而抑制外力拉伸時(shí)的變形與裂紋擴(kuò)展；少量氟化石墨的引入增強(qiáng)了PTFE連續(xù)相的硬度、模量，使得雙連續(xù)相復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)提升至1.3 W/(m·K)。得益于由聚四氟乙烯、鎳磨屑與氟化石墨在金屬配副表面形成的復(fù)合摩擦轉(zhuǎn)移膜，進(jìn)一步改善了復(fù)合物的摩擦學(xué)性能，磨損率下降90.7%。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在Composites Part B: Engineering（2025: 112816）上。
圖4. 界面-基體“雙氟化”增強(qiáng)泡沫鎳-聚四氟乙烯復(fù)合材料設(shè)計(jì)
蘇瑜潔博士生為論文第一作者，劉昊副研究員、于強(qiáng)亮研究員、王建章研究員為共同通訊作者。
上述研究工作得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目的支持。
