科研進(jìn)展
蘭州化物所多孔含油聚合物潤滑材料研究取得系列進(jìn)展
相比傳統(tǒng)的固體潤滑和液體潤滑材料，多孔含油聚合物材料具有貫通孔隙結(jié)構(gòu)，經(jīng)浸油處理后形成獨(dú)立的“自循環(huán)”微供油體系，可在不需要外在輔助供油設(shè)備的前提下為軸承等部件提供持續(xù)潤滑等特點(diǎn)，在高端裝備制造和航空、航天等高技術(shù)領(lǐng)域具有重要應(yīng)用。
近年來，中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所先進(jìn)潤滑與防護(hù)材料研發(fā)中心王廷梅研究員和王齊華研究員帶領(lǐng)的團(tuán)隊從多孔含油聚合物材料的潤滑機(jī)理出發(fā)，設(shè)計制備了一系列具有低摩擦磨損性能的新型多孔含油聚合物材料。
目前，多孔含油聚合物材料研究主要集中在制備高孔隙率、大孔徑的多孔基體以存儲更多的潤滑劑，從而降低摩擦磨損。關(guān)于其潤滑機(jī)理卻鮮有報道，導(dǎo)致材料設(shè)計與開發(fā)缺乏理論支持。該團(tuán)隊率先從多孔聚合物微觀孔隙結(jié)構(gòu)、表面微區(qū)承載和潤滑劑供給等方面開展了機(jī)理研究。多孔含油聚合物內(nèi)部浸漬的潤滑劑從孔隙內(nèi)部遷移至摩擦界面，修復(fù)摩擦過程中破損的潤滑膜以保證部件的平穩(wěn)運(yùn)行。內(nèi)部潤滑劑會在溫度、壓力或離心力的刺激下連續(xù)穩(wěn)定地供給。與外部供油潤滑相比，含油聚合物材料的摩擦學(xué)行為表現(xiàn)出明顯的差異性，服役工況除了影響材料的機(jī)械性能外，更與材料內(nèi)部潤滑劑的供給密切相關(guān)，其潤滑狀態(tài)和摩擦系數(shù)變化趨勢均表現(xiàn)得更加復(fù)雜。潤滑油的供給量和服役工況共同決定了多孔含油聚合物材料所處的潤滑狀態(tài)。多孔含油聚合物材料的磨損主要表現(xiàn)為表面微區(qū)承載的塑性變形，堵塞孔隙結(jié)構(gòu)使?jié)櫥瑒┎荒芗皶r供給至界面，導(dǎo)致摩擦系數(shù)波動較大。相關(guān)成果發(fā)表在Tribology Letters（2020, 68, 102）, Tribology International（2021, 157, 106891；2019, 140, 105728）和《空間控制技術(shù)與應(yīng)用》（2019, 45, 3）上。
圖1.多孔含油聚合物在溫度刺激下的供油示意圖
該團(tuán)隊利用表面織構(gòu)的方法構(gòu)筑了具有梯度孔隙結(jié)構(gòu)的多孔含油聚酰亞胺復(fù)合材料，實現(xiàn)了潤滑油的梯度存儲和釋放，保證了潤滑油的持續(xù)穩(wěn)定供給，從而獲得優(yōu)異的潤滑性能。與傳統(tǒng)單一孔徑多孔含油材料相比，摩擦系數(shù)降低了45.71%，磨損率降低了77.08%。相關(guān)成果發(fā)表在Friction（2022, DOI: 10.1007/s40544-022-0642-5）上。此外，研究人員還通過在多孔聚合物材料內(nèi)部構(gòu)筑“儲油池”，實現(xiàn)了大油量存儲，提升了材料的含油保持率（油保持率為99%），相關(guān)成果發(fā)表在ACS Appl. Mater. Interfaces（2018, 10, 41699-41706; DOI: 10.1021/acsami.8b15198）上。
圖2.具有梯度孔隙結(jié)構(gòu)的多孔材料的表面和斷面形貌
圖3.內(nèi)部構(gòu)筑儲油池的多孔含油聚合物材料的潤滑劑存儲和釋放的示意圖
針對多孔含油材料在離心力作用下的“被動”釋放，缺乏按需主動調(diào)控問題，該團(tuán)隊利用超分子油凝膠的溫度響應(yīng)相變實現(xiàn)了多孔含油聚合物材料的按需調(diào)控潤滑油釋放。與浸漬常規(guī)潤滑油的多孔材料相比，浸漬超分子油凝膠的多孔材料只在溫度刺激下按需釋放，含油保持率從66%提升到了99%。相關(guān)成果發(fā)表在ACS Appl. Mater. Interfaces（2022, 14, 8, 10936–10946; DOI:10.1021/acsami.1c22502）上。
圖4.超分子油凝膠存儲和釋放的示意圖
此外，目前常用做多孔基體骨架的工程塑料難以實現(xiàn)磨損后的自修復(fù)，而常見的自修復(fù)材料由于機(jī)械強(qiáng)度較低難以滿足工程應(yīng)用。該團(tuán)隊利用可相變的潤滑材料在多孔材料表面構(gòu)筑了一層潤滑層，當(dāng)潤滑層發(fā)生磨損后可在溫度刺激下釋放內(nèi)部存儲的相變潤滑劑，實現(xiàn)了對潤滑層的修復(fù)，界面形成的潤滑層避免了多孔骨架的磨損，可實現(xiàn)數(shù)百次的自修復(fù)。相關(guān)成果發(fā)表在Tribology International（2022, 165, 107303, DOI:10.1016/j.triboint.2021.107303）上。
圖5.潤滑層的自修復(fù)機(jī)制
近五年來，該團(tuán)隊相繼突破了新型孔隙結(jié)構(gòu)設(shè)計制備、孔隙率和機(jī)械強(qiáng)度兼容、孔隙均勻性和批產(chǎn)穩(wěn)定性控制等關(guān)鍵技術(shù)，獲得中國發(fā)明專利授權(quán)16件。
上述研究工作得到了國家自然科學(xué)基金、中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項（C類）、中科院西部之光西部青年學(xué)者A類、中科院青年創(chuàng)新促進(jìn)會等項目的支持。
