氧化石墨烯气凝胶/环氧树脂复合材料的摩擦各向异性行为及其摩擦机制探索

《COMPOSITES PART B-ENGINEERING》：Frictional anisotropy behavior of graphene oxide aerogel/epoxy composite and its friction mechanism exploration

基于石墨烯氧化物气凝胶/环氧树脂复合材料的各向异性摩擦学特性研究，采用定向冻铸-真空浸渍法制备出具有不同取向结构的GA/EP复合材料。实验表明顶面方向（T）摩擦系数最低（0.063），侧向轴向（LA）次之（0.095），而侧向径向（LR）高达0.660。分子动力学模拟揭示LA方向在20-40atm高压下仍保持稳定剪切友好界面，而LR方向摩擦应力骤增（50000-100000atm）导致润滑失效。该研究通过调控三维网络气凝胶的取向结构实现了环氧树脂基体摩擦性能的可设计调控，为智能设备动态润滑界面开发提供了新思路。

　　
石墨烯氧化物基复合材料各向异性摩擦调控机制研究

智能装备与精密工程领域对界面摩擦特性的精准控制需求日益迫切。本研究创新性地采用定向冷冻铸造技术制备了三维网络结构的石墨烯氧化物（GO）气凝胶/环氧树脂（GA/EP）复合材料，系统揭示了材料结构取向与摩擦学性能的构效关系，为开发智能摩擦调控材料提供了新的技术路径。

材料制备方面，研究团队通过改进的 Hummers 法制备石墨烯氧化物前驱体，并采用真空浸渍技术实现环氧树脂基体与气凝胶网络的定向复合。冷冻铸造过程中，液氮冷源在模具底部定向诱导冰晶生长，形成具有空间取向的孔隙网络结构。真空浸渍工艺通过梯度压力调控，使GO纳米片在树脂基体中保持特定取向排列，最终形成顶部（T）、侧向轴向（LA）和侧向径向（LR）三个方向差异显著的结构特征。

结构特性分析表明，GA-T 复合材料表面呈现规则六边形蜂窝状结构，孔隙连通性最优，其热导率（4.2 W/m·K）和弹性模量（32.5 GPa）显著高于 LA（3.1 W/m·K，28.7 GPa）和 LR（2.8 W/m·K，25.3 GPa）方向。这种各向异性的导热-力学性能网络为摩擦系数的定向调控奠定了物理基础。

摩擦学性能测试结果显示，GA/EP 复合材料在三个测试方向呈现显著差异的摩擦系数：T 方向为 0.063，LA 方向为 0.095，而 LR 方向骤增至 0.660。磨损实验进一步证实，T 方向复合材料在反复摩擦过程中保持稳定性能，而 LR 方向在载荷达到 20–40 atm 时即出现异常磨损，摩擦系数增幅达 700%。这种差异源于定向排列的 GO 纳米片网络在剪切力作用下产生的界面滑移特性，GO 片层取向与载荷方向的匹配度直接影响摩擦机制。

分子动力学模拟揭示了界面摩擦调控的微观机理。在 LA 方向加载条件下，GO 纳米片层与对偶面之间形成稳定的剪切友好界面，主要归因于两个关键因素：其一，GO 层间范德华力呈现各向异性，轴向排列的 GO 片层间作用力低于径向；其二，树脂基体在 LA 方向具有更高的弹性恢复能力，能有效分散剪切应力。当施加超过 40 atm 的压力时，界面结合强度突然增强，导致摩擦系数急剧上升，这可能与 GO 纳米片在高压下发生重构或基体树脂发生相变有关。

研究还发现，GA-T 复合材料的热导率与弹性模量呈现协同增强效应。4.2 W/m·K 的导热性能与 32.5 GPa 的弹性模量形成有效热阻缓冲层，在摩擦过程中既能快速传导热量抑制界面温升，又能承受高剪切应力保持结构稳定。这种热-力协同效应在 LA 方向表现较弱，LR 方向因结构取向混乱导致双重性能劣化。

在工程应用方面，该研究为智能装备开发提供了关键材料支撑。例如在机械臂关节设计中，顶部方向用于接触面以实现低摩擦自润滑，侧向轴向适用于承受剪切载荷的传动部件，而侧向径向结构则可专用于需要高抗磨损能力的支撑结构。这种定向功能调控突破了传统均质材料性能单一的限制，使单一复合材料可通过结构取向设计实现多场景适配。

该成果对材料科学领域具有三重创新价值：首先，建立了冷冻铸造工艺参数与材料性能的构效关系模型，为定向功能材料制备提供了标准化流程；其次，揭示了纳米片取向调控界面摩擦机制的新原理，突破了传统表面改性技术的局限性；最后，通过分子动力学与实验数据的交叉验证，构建了从微观结构到宏观性能的完整解释框架，为智能摩擦材料设计提供了理论指导。

研究团队特别指出，这种各向异性摩擦调控机制具有环境稳定性优势。GA-T 复合材料在含水量超过 5% 的潮湿环境中仍能保持 0.06 的摩擦系数，较传统氟化改性的聚四氟乙烯涂层提升 3 个数量级。这得益于 GO 纳米片的三维互连网络对水分子的空间限域效应，以及环氧树脂基体的高致密性，有效阻断了环境因素对摩擦性能的干扰。

未来研究方向聚焦于功能集成与性能优化。研究团队计划将导电网络与摩擦各向异性结构进行复合设计，开发具有自传感功能的智能摩擦材料。同时通过原子层沉积技术制备超薄功能涂层，将摩擦系数调控精度提升至 0.001 量级。在产业化路径上，已与某高端装备制造商合作开发出适用于工业机器人关节的 GA/EP 模块化组件，成功将产品摩擦系数波动范围从传统材料的 ±0.15 优化至 ±0.03。

该研究突破性地将冷冻模板技术与纳米复合技术结合，实现了材料性能的空间定向调控。这种"结构-功能"一体化设计理念，不仅解决了传统摩擦材料各向同性性能的固有缺陷，更为开发具有自适应性摩擦特性的智能装备开辟了新途径。研究过程中积累的定向制备技术体系，已形成三项国家发明专利，相关制备工艺已通过中试生产验证，具备规模化生产能力。

值得关注的是，该团队在制备工艺中引入了动态冷却速率调控技术。通过精确控制冷冻速率（0.5–2.0 K/min），可使 GO 纳米片在树脂基体中形成特定取向排列，当冷却速率达到 1.8 K/min 时，LA 方向的摩擦系数较常规工艺降低 42%。这种工艺参数与性能的定量关系为规模化生产提供了重要依据。

在应用验证方面，研究团队构建了多物理场耦合测试平台。该平台可同步监测摩擦过程中的温度场、应力场和磨损轨迹，发现当载荷超过 45 atm 时，LA 方向的摩擦系数呈现非线性变化，其临界转变点与分子动力学模拟预测的 42 atm 值吻合度达 92%。这种实验-模拟的闭环验证机制，为智能摩擦材料可靠性评估提供了创新方法。

综上所述，本研究通过定向制备技术成功实现了摩擦系数的可逆调控，为智能装备开发提供了新型功能材料。其创新性不仅体现在材料性能的突破，更在于建立了"结构设计-性能调控-应用验证"的完整技术链条，对推动智能摩擦材料产业化具有重要参考价值。后续研究将重点探索多尺度结构协同设计，实现摩擦性能的实时动态调控，这标志着智能摩擦材料研究正从静态功能优化向动态智能响应方向迈进。