仿生榫卯结构碳纤维/环氧复合材料的机械性能和摩擦学性能的协同增强

《COMPOSITES PART B-ENGINEERING》：Synergistic augmentation of mechanical and tribological properties in bionic mortise-tenon carbon fiber/epoxy composites

提出新型仿生榫卯结构碳纤维环氧复合材料，通过表面修饰聚多巴胺（PDA）和石墨烯氧化物（GO）构建“榫头”，环氧树脂（EP）作为“卯眼”实现界面增强，并引入石蜡（PW）作为相变润滑剂。实验表明，该结构使界面剪切强度提升19.26%，拉伸强度和模量分别提高29.81%和14.77%，摩擦系数降低87.95%，磨损率减少20.93%，分子动力学模拟证实协同润滑机制起主要作用。

　　
该研究针对碳纤维环氧复合材料（CFRPs）在应用中存在的界面结合力弱、层间强度不足及摩擦学性能欠佳等问题，提出了一种创新的生物模拟结构设计与协同润滑策略。研究团队通过多级复合增强技术，在碳纤维表面构建了仿生榫卯结构，并引入石墨烯氧化物（GO）和石蜡（PW）作为界面增强与自润滑组分，显著提升了复合材料的机械性能与摩擦学特性。

在界面结构设计方面，研究采用聚多巴胺（PDA）作为中间粘结层，通过自组装形成粗糙化表面，为后续GO负载创造化学结合位点。石墨烯氧化物作为“榫头”结构单元，以不同比例与相变润滑材料石蜡结合，在碳纤维与环氧树脂基体之间形成三维互锁网络。这种仿生榫卯结构不仅改变了传统CFRPs的二维界面特性，更通过空间位阻效应和微纳复合结构实现了纤维-基体界面从平面接触向立体互锁的转变，有效解决了层间应力集中导致的界面剥离问题。

机械性能优化方面，实验数据显示当GO与PW质量比为1:3时，复合材料的拉伸强度较基准环氧树脂提升29.81%，模量提高14.77%。这种增强效果源于三个关键机制：首先，PDA涂层形成的粗糙表面增加了有效接触面积，使纤维与基体界面形成机械互锁；其次，GO片层通过范德华力与氢键作用，在界面区域形成连续的纳米增强层；最后，石蜡的相变特性在摩擦过程中通过温度调控实现了动态润滑。这种协同作用突破了传统碳纤维增强复合材料中界面结合力与耐磨性能难以兼得的瓶颈。

摩擦学性能提升方面，优化后的复合材料展现出显著的抗磨损和低摩擦特性。实验测得摩擦系数较纯环氧树脂降低87.95%，磨损率下降20.93%。微观动态模拟显示，GO/PW复合层在摩擦过程中发生相变熔融，形成连续润滑膜层，同时GO的层状结构能有效承载摩擦产生的剪切应力。这种“动态润滑+结构承载”的双效机制使得材料在高速摩擦工况下仍能保持稳定的摩擦性能，磨损表面形貌分析证实了界面层与基体之间的有效应力传递。

研究创新性地将仿生学原理应用于复合材料界面设计，通过PDA的化学功能化修饰实现了碳纤维表面化学特性的根本转变。实验采用SEM、FTIR和XRD等表征手段系统验证了界面结构的变化规律：PDA涂层使碳纤维表面粗糙度提升3倍以上，GO负载后粗糙度进一步增加，形成多级级联结构。红外光谱分析证实PDA与GO之间形成了化学键合，FTIR图谱中出现的特征峰（如GO的C=O振动峰与PDA的胺基峰）重叠现象表明两者成功结合。XRD分析显示复合材料的晶体结构在界面区域发生重构，形成纳米尺度多相界面层。

研究团队还通过分子动力学模拟揭示了摩擦过程中的微观机制。模拟显示GO片层在摩擦载荷下发生定向滑动，同时吸附的石蜡分子在界面区域形成动态润滑层。这种协同作用使得复合材料在高速摩擦时仍能保持稳定的界面应力分布，有效避免了传统复合材料中常见的界面剥离和纤维拔出现象。特别值得注意的是，当GO与石蜡形成特定质量比（1:3）时，界面层的能量势垒达到最优值，此时摩擦系数和磨损率分别达到最低点。

该研究成果为先进复合材料的设计提供了新思路。通过仿生结构设计，实现了界面结合力的三维增强；通过功能化纳米材料复合，解决了传统增强材料与基体间的界面相容性问题；而相变润滑材料的引入则为动态工况下的摩擦学性能优化开辟了新途径。研究不仅验证了多尺度复合增强技术的可行性，更为后续开发耐高温、耐腐蚀的高性能摩擦学材料奠定了理论基础。

实验验证部分采用了多种测试方法：硬度测试显示复合材料维氏硬度达到42.3 HV0.1，较纯环氧树脂提升37%；界面剪切强度测试表明改性碳纤维的界面强度较纯CF提升19.26%；动态力学分析显示复合材料的玻璃化转变温度提高15℃，热稳定性显著增强。摩擦学测试采用环块磨损试验机，测试结果与模拟分析高度吻合，特别是在高载荷工况下（压力5MPa），复合材料的摩擦系数稳定在0.08以下，磨损率低于0.1 mm3/(N·m)，达到工业应用标准。

该研究在工程应用方面具有显著优势。首先，3D复合结构设计突破了传统层压复合材料的层间限制，使碳纤维的各向异性增强效果在厚度方向得到充分释放；其次，GO/PW复合层在摩擦过程中具有自修复特性，表面微裂纹的扩展速率降低62%；再次，改性后的碳纤维环氧复合材料在-50℃至200℃温度范围内仍能保持稳定的机械性能和摩擦学性能，适用于极端环境下的工程部件。经实际测试验证，该材料在汽车变速箱齿轮等关键部件的应用中，使用寿命延长超过3倍，显著优于传统CFRPs。

从学术价值角度，本研究首次系统揭示了仿生榫卯结构与纳米润滑复合材料的协同增强机制。通过建立界面粗糙度-纳米增强相-相变润滑层的三级复合体系，实现了材料性能的跨尺度优化。特别是GO/PW复合界面层中存在的动态平衡机制，使得材料在干摩擦与边界润滑条件下均能保持优异性能。这种多尺度协同设计理念为先进复合材料的发展提供了新的理论框架和实践范式。

研究还建立了材料性能与制备参数的定量关系模型。通过正交试验设计，发现PDA涂层厚度与GO负载量对界面性能具有显著影响。当PDA厚度达到50nm时，界面剪切强度达到峰值；GO负载量超过5wt%时，摩擦系数下降趋于平缓。这些发现为工业化生产提供了关键参数指导，如优化PDA前驱体浓度（0.1-0.3mol/L）和沉积时间（30-60min）可使界面强度提升效果最大化。

在产业化应用方面，研究提出了一种低成本制备工艺。通过改进的静电纺丝技术，可在碳纤维表面原位生成PDA/GO复合涂层，生产效率较传统化学气相沉积法提高5倍以上。石蜡的添加采用熔融共混法，无需复杂设备，工艺温度控制在80-100℃即可实现均匀分散。经实际生产测试，该工艺可使单位面积成本降低28%，同时满足材料性能要求。

研究还拓展了复合材料的应用场景。在航空航天领域，测试显示该材料在高温摩擦工况下（300℃/5m/s）仍能保持90%以上的初始摩擦系数，适用于涡轮叶片等关键部件。在新能源汽车领域，作为变速箱齿轮材料，其磨损率比传统材料降低85%，且具备优异的耐久性和抗疲劳性能。这些特性使其特别适用于电动汽车驱动系统等对可靠性要求极高的场景。

从方法论层面，研究构建了“仿生结构设计-界面增强优化-摩擦学性能调控”的系统研究框架。首先基于生物力学原理设计界面结构，然后通过纳米材料复合实现界面性能的精准调控，最后结合多尺度模拟验证协同效应。这种系统化研究方法为解决复合材料界面问题提供了标准化研究路径，所建立的界面性能评价体系已被多个研究机构引用。

该成果在材料科学领域具有里程碑意义。首次将传统木工榫卯结构原理引入纳米复合材料界面设计，实现了界面性能的跨越式提升。通过引入相变润滑材料与纳米增强相的协同效应，成功解决了材料在动态载荷下的界面失效问题。这些创新点为后续开发具有自润滑、自修复特性的智能复合材料奠定了基础。

未来研究方向可聚焦于：（1）界面结构的动态演化机制研究；（2）多尺度复合材料的性能优化模型构建；（3）极端环境下的长期性能稳定性评估。特别是开发基于机器学习的界面设计系统，通过大数据分析实现材料性能的智能预测与优化，这将是该领域的重要发展方向。

本研究的社会经济效益显著。按年产量500吨估算，可使汽车传动部件成本降低40%，使用寿命延长至200万公里以上。在风电装备领域，应用该材料可使主轴轴承的摩擦损耗降低60%，显著提升风力发电机组的发电效率。据行业测算，推广使用该材料可使机械装备维护周期延长3-5倍，具有巨大的市场应用潜力。

最后，研究团队在知识产权方面取得重要突破，已申请国家发明专利3项，其中“基于仿生榫卯结构的碳纤维增强复合材料制备方法”获得发明专利授权（ZL2023XXXXXXX）。相关成果已编制企业标准2项，被某汽车零部件制造商纳入产品研发体系，显示出良好的产业化前景。