高性能聚合物-镍复合材料的铸造制备及其摩擦学性能研究

本研究针对传统聚合物材料在机械性能、热稳定性和环境耐受性方面的不足，通过铸造法开发了一种新型聚合物-镍复合材料（PNC）。研究利用热塑性弹性体（TPE）、生物基粘结剂和镍粉构建互穿网络结构，显著提升了材料的力学性能、耐磨性和电化学稳定性。结果表明，PNC在重载条件下表现出优异的摩擦学性能，其综合性能接近甚至超过注塑成型工艺，为高性能结构材料的增材制造提供了新思路和技术路径。

　　

随着工业领域对复杂结构零部件需求的日益增长，增材制造（Additive Manufacturing, AM）技术因其设计灵活性和快速原型制作能力受到广泛关注。然而，传统聚合物材料在机械强度、热稳定性和耐环境性能方面存在局限，难以满足重载、高磨损等苛刻工况下的应用需求。为此，开发兼具优异力学性能和功能特性的聚合物-金属复合材料（Polymer-Metal Composites, PMCs）成为材料科学领域的研究热点。

本研究通过铸造法制备了一种新型聚合物-镍复合材料（Polymer-Nickel Composites, PNC），其以热塑性弹性体（Thermoplastic Elastomer, TPE）、生物基粘结剂（如明胶、壳聚糖、单宁酸等）和镍粉为原料，构建了具有互穿网络结构的复合材料。该材料不仅克服了传统PMCs在高性能结构应用中的局限性，还表现出优异的机械性能、耐磨性和电化学稳定性。相关研究成果发表于《Journal of Materials Research and Technology》。

研究主要采用材料制备与表征、电化学测试、摩擦学性能评估等关键技术方法。通过扫描电子显微镜（SEM）、X射线光电子能谱（XPS）、X射线衍射（XRD）等手段分析了PNC的微观结构和化学状态；利用纳米压痕仪和原子力显微镜（AFM）评估其力学性能；通过电化学工作站测试了材料的腐蚀行为和阻抗特性；并基于ASTM标准开展了摩擦磨损实验。

3.1. 制备原理

PNC由A型胶（胶原蛋白）、B型胶（壳聚糖-苹果酸复合物）和引发剂（单宁酸）组成。通过单宁酸诱导的协同交联反应，形成了稳定的三维网络结构，使材料具有立方晶体结构和致密表面。

3.2. 物理和化学性质

随着壳聚糖和单宁酸的加入，PNC的孔隙率逐渐降低，密度增加，微观结构更加均匀。XPS和XRD分析表明，镍以零价态（Ni⁰）和部分氧化态（Ni²⁺）存在，且与聚合物基体形成稳定的界面相互作用。

3.3. 机械性能

纳米压痕测试显示，NCG-PNC、NCCG-PNC和NCCTG-PNC的纳米硬度依次升高（0.05–0.1 GPa、0.2–0.6 GPa、0.4–0.6 GPa）。AFM结果表明，表面粗糙度的增加有助于提升材料的负载能力和韧性。

3.4. 电化学性能

开路电位（OCP）、动电位极化曲线（PPC）和电化学阻抗谱（EIS）分析表明，NCCTG-PNC具有最高的腐蚀电位和最低的腐蚀电流密度，表现出最优的电化学稳定性。循环伏安（CV）测试进一步验证了其良好的电荷存储能力。

3.5. 摩擦学性能

摩擦系数（COF）测试表明，NCCTG-PNC的平均COF最高（0.40），但其磨损率最低。磨损轨迹的元素分布和形貌分析显示，单宁酸的加入促进了镍的均匀分散和氧化交联，形成了保护性摩擦膜，显著提升了耐磨性。

本研究通过铸造法成功制备了具有互穿网络结构的高性能PNC材料，其在机械强度、电化学稳定性和摩擦学性能方面均表现出色。尽管未进行实际3D打印实验，但PNC墨水的流变特性和结构设计为其在增材制造中的应用奠定了基础。该研究为开发适用于复杂工况的高性能结构材料提供了新策略，对推动增材制造技术在航空航天、汽车、电子等领域的应用具有重要意义。