基于摩擦发光的固体润滑复合材料表面织构自监测技术研究

针对固体润滑材料表面织构失效监测难题，研究人员创新性地将摩擦发光材料ZnS:Cu引入石墨烯/聚四氟乙烯(PTFE)体系，开发出具有实时自监测功能的ZGP复合材料。该材料通过摩擦发光(TL)强度响应摩擦载荷与速度变化，结合表面织构设计显著提升耐磨性与TL稳定性，实现了织构寿命、裂纹及复杂图案的原位识别，为机械系统状态监测提供了实时、精准、低成本的解决方案。

　　

机械设备的磨损故障是工业领域长期存在的痛点，约55%-60%的设备故障源于此，每年造成全球GDP高达2%-7%的损失。传统润滑材料虽能降低磨损，但其表面织构（通过激光加工、化学蚀刻等技术制备的微观结构）在服役过程中会发生不可逆失效，导致润滑膜破裂、接触压力骤增，最终引发灾难性事故。现有监测手段如原子力显微镜或有限元分析(FEA)存在实时性差、成本高、依赖模型精度等问题，亟需开发新型智能监测技术。

在这项发表于《Applied Materials Today》的研究中，研究人员开创性地将摩擦发光(Triboluminescence, TL)现象与固体润滑材料相结合，构建了具有自监测功能的ZnS:Cu/石墨烯/PTFE(ZGP)复合材料。该材料通过TL信号实时响应摩擦参数变化，配合优化的表面织构设计，首次实现了对织构寿命、裂纹扩展及复杂图案的原位可视化监测，为机械系统健康管理提供了革命性工具。

研究团队采用冷压烧结法制备ZGP复合材料，通过摩擦试验机评估其TL响应特性，结合共聚焦显微镜分析织构形貌演变。关键发现包括：1）ZnS:Cu颗粒（15-21μm）在PTFE基体中均匀分散，其TL强度与载荷/速度呈正相关；2）菱形织构使磨损率降低42%，同时TL强度提升3.8倍；3）TL信号可识别50-200μm织构间距变化，对深度偏差敏感度达±5μm。这些结果证实TL监测技术克服了传统方法在实时性（毫秒级响应）、准确性（微米级分辨率）和成本（无需外部能源）方面的局限。

在"Results and discussion"部分，研究揭示了织构参数与TL性能的构效关系：1）小间距织构（100μm）通过增加应力集中点显著增强TL发射；2）交叉网格图案可延长织构寿命至常规设计的2.3倍；3）TL强度突降能预警表面裂纹萌生，较传统检测手段提前17分钟。"Conclusions"部分强调，该技术为航空发动机、精密导轨等关键部件的智能维护提供了新范式，未来可通过机器学习进一步优化织构参数与TL材料的匹配性。

这项研究的突破性在于将力学-光子转换机制创新应用于工程监测领域，其开发的ZGP复合材料兼具"感知"与"润滑"双重功能，解决了复杂工况下实时监测的技术瓶颈。正如作者Xiuping Guo等人指出，该策略为智能材料设计开辟了新方向，对实现"预测性维护"的工业4.0目标具有重要推动作用。