激光表面织构化洋葱状碳/水性聚氨酯复合涂层的摩擦学行为研究

本研究针对水性聚氨酯(WPU)涂层机械性能与耐磨性不足的问题，创新性地将稻壳催化热解衍生的洋葱状碳(OLC)纳米颗粒与激光表面织构化(LST)技术结合，开发了多功能复合涂层。通过系统实验与多尺度模拟，发现1.5 wt% OLC与圆形凹坑织构(OLC/WPU-T3)协同作用可使磨损率降低78.4%，揭示了纳米增强体与表面织构的协同润滑机制，为绿色耐磨材料设计提供了新思路。

　　

在全球能源损耗中，摩擦磨损导致的损失占比高达23%，每年造成超过2.2万亿美元经济损失。水性聚氨酯(WPU)作为环保涂层材料虽已广泛应用于航空航天、生物医疗等领域，但其机械性能和耐磨性仍显著低于溶剂型聚氨酯。传统解决方案如碳纳米管(MWCNTs)或氧化石墨烯(GO)增强虽有效，但面临成本高、工艺复杂等瓶颈。

安徽高校研究团队在《Applied Surface Science》发表的研究中，创新性地利用农业废弃物稻壳制备洋葱状碳(OLC)纳米颗粒，结合激光表面织构化(LST)技术，开发出具有多级结构的OLC/WPU复合涂层。通过扫描电镜(SEM)、高分辨透射电镜(HRTEM)、分子动力学(MD)模拟和有限元分析(FEA)等多尺度表征，发现：1.5 wt% OLC填充使涂层磨损率降低45.3%；单独采用平行沟槽、网格阵列和圆形凹坑三种LST织构时，磨损率最大降幅达56.4%；而圆形凹坑织构与OLC协同作用时，磨损率进一步降至78.4%，展现出显著的"体相-界面"协同增强效应。

关键技术包括：稻壳催化热解制备OLC纳米颗粒、光纤激光加工表面织构、球-盘摩擦磨损试验机测试、分子动力学模拟剪切变形行为。

【表面形貌分析】
激光加工成功制备了宽度120μm的平行沟槽(T1)、间距400μm的网格(T2)和直径200μm的圆形凹坑(T3)三种织构。三维形貌显示T3织构具有最佳的几何均匀性，为后续摩擦学性能差异奠定基础。

【摩擦学性能】
纯WPU涂层磨损率为8.7×10^-5
mm³
/N·m，单独LST处理使磨损率降至3.8×10^-5
mm³
/N·m。OLC/WPU-T3复合涂层表现出最低磨损率1.9×10^-5
mm³
/N·m，摩擦系数稳定在0.21-0.25区间。MD模拟揭示OLC通过阻碍分子链滑移提升剪切模量，而FEA证实圆形凹坑能有效分散接触应力(降幅达62%)。

【磨损机制】
非织构涂层呈现典型的粘着磨损特征，伴有大量片状磨屑；而织构化涂层磨屑尺寸减小80%，凹坑结构可捕获磨屑形成二次润滑膜。HRTEM观察到摩擦界面处OLC发生石墨化转变，生成低剪切阻力的sp²
杂化碳层。

该研究实现了三大突破：首次将生物质衍生OLC与LST技术协同应用于WPU改性；建立了"纳米填充-表面织构"多尺度设计准则；开发的涂层在风电叶片前缘保护、食品机械耐磨部件等领域具有应用前景。Enzhu Hu团队通过安徽自然科学基金等项目支持，证实了农业废弃物高值化利用与绿色摩擦学结合的可行性，为碳中和目标下新型耐磨材料开发提供了范本。