科研進(jìn)展
蘭州化物所聚醚醚酮深海潤滑材料研究獲新進(jìn)展
深海裝備中的軸承、閥門、齒輪及軸套等關(guān)鍵運(yùn)動(dòng)部件，長期直接暴露于深海嚴(yán)苛環(huán)境服役，承受隨深度線性快速增加的海水壓力，導(dǎo)致聚合物潤滑材料面臨高壓海水加速老化與復(fù)雜摩擦磨損耦合作用的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。
碳纖維織物增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料具有優(yōu)異的比模量與比強(qiáng)度，在深海應(yīng)用中展現(xiàn)出巨大潛力。然而，與均相復(fù)合材料相比，其內(nèi)部大尺度的連續(xù)纖維-樹脂界面，在高壓下易成為海水滲透與擴(kuò)散的快速通道，制約了其在深海環(huán)境中的進(jìn)一步應(yīng)用。
針對(duì)這一難題，中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所潤滑材料全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室聚合物摩擦學(xué)課題組，圍繞深海環(huán)境下聚合物復(fù)合材料的損傷機(jī)制、組分設(shè)計(jì)及摩擦學(xué)行為開展了系統(tǒng)性研究。近期研究揭示，深海環(huán)境對(duì)聚合物復(fù)合材料的主要損傷形式表現(xiàn)為樹脂基體微缺陷的生成與界面層厚度的顯著增加。研究發(fā)現(xiàn)在30 MPa高壓下，材料飽和吸水率僅從常壓的4.0%小幅增至4.4%，但其層間剪切強(qiáng)度卻急劇下降60%，磨損率增加近3倍，表明性能退化與整體吸水量并非簡單線性關(guān)系，其深層機(jī)理在于海水滲透與深海壓縮效應(yīng)相互競爭，高壓雖限制整體吸水，但水分子聚集于樹脂微缺陷及纖維-樹脂界面孔隙中，導(dǎo)致在外部應(yīng)力下局部缺陷更易擴(kuò)展為裂紋；同時(shí)引發(fā)界面損傷，表現(xiàn)為界面厚度從初始1.1μm大幅增加至2.5μm（圖1）。
針對(duì)深海特異性損傷機(jī)理，課題組創(chuàng)新性地提出了一種強(qiáng)韌化界面增強(qiáng)策略。研究人員采用真空輔助壓力滲透技術(shù)，在碳纖維織物表面成功構(gòu)筑了一種“剛-柔”并濟(jì)的雜化強(qiáng)韌界面結(jié)構(gòu)（圖2）。以聚醚酰亞胺為柔性相，發(fā)揮柔性粘接與應(yīng)力緩沖作用；以納米金剛石和二維MXene為剛性相提供物理阻隔與機(jī)械互鎖點(diǎn)，協(xié)同抑制海水滲透擴(kuò)散、促進(jìn)應(yīng)力高效傳遞（圖4,5）。
模擬深海高壓環(huán)境的原位摩擦磨損測試結(jié)果表明，這種有機(jī)/無機(jī)協(xié)同的界面設(shè)計(jì)，能顯著提升復(fù)合材料在極端環(huán)境下的耐磨損性能（圖3）。在模擬1000米深海壓力下，制備復(fù)合材料的摩擦系數(shù)與磨損率均為目前文獻(xiàn)報(bào)道的同類材料最低值，為解決深海運(yùn)動(dòng)部件材料損傷防護(hù)與應(yīng)用提供了新思路。
圖1.研究思路
圖2.碳纖維織物表面強(qiáng)韌界面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖
?圖3.強(qiáng)韌界面增強(qiáng)復(fù)合材料在模擬深海環(huán)境中的摩擦學(xué)性能
圖4.CF-PEEK改性復(fù)合材料界面結(jié)構(gòu)的分子模擬結(jié)果。（a）CF/PEEK復(fù)合材料和CF-PEI-ND/MXene/PEEK復(fù)合材料的模擬模型，（b）PEI與PEEK之間的π-π相互作用能和（c）PEI與PEEK之間的π-π相互作用，以及（d）PEI-MXene之間的氫鍵作用
圖5.模擬深海環(huán)境下CF/PEEK復(fù)合材料增強(qiáng)潤滑機(jī)制及強(qiáng)韌界面機(jī)制示意圖
相關(guān)成果以“Carbon fabric/polyetheretherketone composites for deep-sea applications:enhancement of strong-robust interface”和“Response of seawater lubricated fabric-reinforced phenolic resin composites under high hydrostatic pressure”為題分別發(fā)表在Composites Part A: Applied Science and Manufacturing和Polymer Degradation and Stability上。范藝豪博士為論文第一作者，劉昊副研究員和王建章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(xué)基金、中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)和國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目的支持。
