面向自润滑应用的MAX相/MoS?增强PTFE/芳纶织物复合材料的分级界面调控与摩擦学机理

《Surfaces and Interfaces》：Hierarchical Interface Regulation and Tribological Mechanism of MAX Phase/MoS 2-Reinforced PTFE/Kevlar Fabric Composites for Self-Lubricating Applications

　　提高织物复合衬里的粘附性和摩擦学性能仍然是一个关键挑战，尤其是在温度条件变化的情况下。本研究提出了一种综合策略，涉及聚多巴胺辅助沉积MAX相、金属基底的喷丸处理以及层状MoS?的掺入，以调控界面结构和摩擦行为。结果表明，喷丸引起的金属基底形貌调控显著提高了衬里与基底之间的粘附力。中等粗糙度的基底促进了树脂的浸渍和机械互锁，使剥离强度提高到1.41 N mm?1，约为相同MAX@织物-MoS?复合体粘附在未处理基底上的2.35倍。MoS?的掺入产生了浓度依赖的摩擦学行为变化。在研究的组分中，0.5 wt.% MoS?产生了最低的摩擦系数和磨损率，与不含MoS?的MAX@织物复合体相比，分别降低了约16%和15%。分析表明，适当的基底粗糙度促进了树脂浸渍和稳定的界面结合，而过高的粗糙度会导致应力集中并降低粘附力。在0.5 wt.% MoS?下获得的更光滑、更致密的磨损表面表明滑动界面稳定性提高，这可能与发展润滑性界面摩擦层有关。这些发现揭示了粘附力和摩擦学性能由平衡的界面粗糙度和润滑剂负载控制，为织物复合衬里提供了分层界面设计原则。自润滑轴承系统在现代机械设备中发挥着至关重要的作用，特别是在航空航天、汽车和重型机械领域，在有限润滑或极端条件下可靠运行至关重要。其中，具有自润滑织物衬里的关节轴承因其能够在高负荷、振荡运动和边界或干摩擦条件下运行而备受关注。这些系统通常依靠聚合物基或复合衬里提供低摩擦和耐磨性，而无需连续外部润滑。聚四氟乙烯/凯夫拉纤维增强织物复合材料被广泛用作自润滑衬里。在滑动过程中，PTFE纤维在相对面上形成转移膜，从而减少摩擦。凯夫拉纤维提供粘结、承载能力和耐磨性，有助于衬里整体的机械性能和耐久性。然而，随着高速和高负荷运行条件需求的增加，传统的PTFE/凯夫拉织物已不再足够。其长期性能通常受限于衬里与金属基底之间界面粘附不足，而仅依赖PTFE的润滑也不足以进一步减少摩擦。为了增强PTFE/凯夫拉织物的界面粘附强度，已进行了大量研究，主要集中在织物纤维的表面改性技术。这些改性策略可以大致分为三类：物理改性、化学改性和纳米粒子介导的界面改性。物理改性采用各种物理方法来改变纤维表面的形貌和结构，如超声改性和等离子处理。化学改性通常涉及在纤维表面上引入反应性官能团或通过化学粘附构建纤维基粗糙结构，从而增强纤维与金属基底之间的界面化学结合。纳米粒子介导的界面改性已成为一种广泛采用的方法，在纤维表面沉积纳米粒子不仅提高了织物与金属基底之间的粘附力，还有助于提高导热性和摩擦学性能。这些改性策略主要通过增加纤维表面粗糙度来起作用，从而促进树脂固化过程中机械互锁结构的形成。同时，物理锚定效应增强了界面结合强度，而粗糙化的表面提供了额外的活性位点用于界面化学结合、范德华力相互作用和其他分子间力，共同促进了整体界面粘附力的提高。然而，上述纤维改性方法实现的界面增强表现出明显的磨损敏感性。一旦织物开始磨损，接触界面处的摩擦热快速积累会触发界面脱粘，从而加速织物与基底的脱层。这种渐进性退化加剧了磨损，并最终可能导致自润滑轴承系统的灾难性失效。MAX相陶瓷通常表示为Mn+1AXn公式（n=1–3），其中M代表早期过渡金属，A表示A族元素，X对应碳或氮，具有独特的纳米层状晶体结构。这些材料结合了金属的高热和电导率以及陶瓷的优异高温稳定性和损伤容限，能够将摩擦热有效地从接触界面散出。其中，Ti?AlC?是最广泛研究的MAX相材料之一。其固有的高热导率有助于抑制摩擦区的局部热积聚。此外，其在高温下的分解产物主要由α-Al?O?组成，具有优异的高温耐磨性。此外，微/纳米级分解产物有助于磨损表面的自我修复。因此，将Ti?AlC?作为增强相掺入预计将在宽温度范围内增强织物复合材料的摩擦学性能。为了解决传统纤维改性策略磨损敏感性相关的局限性，掺入固体润滑纳米材料已成为一种有效的同时增强界面耐久性和摩擦学性能的方法。在这些候选材料中，MoS?因其独特的层状晶体结构和优异的自润滑性能而备受关注。相邻MoS?层之间的弱范德华力使其在剪切应力下容易层间滑动，从而显著减少摩擦和磨损。MoS?还可以促进在滑动过程中接触界面形成稳定的转移膜，有效最小化直接凸点接触并减轻表面损伤。然而，现有研究主要集中在MoS?在块体聚合物系统中的摩擦学行为，而关于其在织物复合材料中作用的研究仍然有限。在这种系统中，MoS?纳米粒子、纤维增强体和聚合物基体之间的多尺度相互作用尚未得到充分探索。因此，MoS?在织物复合系统中的减摩机制及其对磨损演化的影响需要进一步深入研究。在这里，开发了一种分层界面工程策略，通过同时调控纤维-树脂界面、衬里-金属界面和滑动界面。采用PDA/PEI辅助沉积将Ti?AlC? MAX颗粒固定在PTFE/凯夫拉纤维上，同时使用喷丸系统地调节金属基底的表面形貌。进一步掺入MoS?以调节滑动界面响应。结果揭示了基底粗糙度与粘附力之间的非单调关系、不同纤维成分上形态依赖的MAX沉积，以及MoS?对摩擦和磨损的浓度依赖效应。这些发现提供了新的见解，说明了机械互锁和界面润滑如何协同以改善织物复合衬里。断裂斜纹编织PTFE/凯夫拉织物由PTFE纤维和凯夫拉-29纤维制成，织物面积密度在180到220 g/m2之间。粘合树脂由上海星光化工有限公司提供。MAX相颗粒、MoS?...聚多巴胺可以在多种材料表面形成粘附涂层，因此在本研究中用作界面粘合层。然而，多巴胺的自聚合相对缓慢，并可能伴随不可控的聚集。因此引入了PEI以加速多巴胺聚合并促进共沉积过程。在本系统中，PDA/PEI层主要作为粘合桥促进...本研究通过PDA/PEI辅助沉积成功地将Ti?AlC? MAX颗粒固定在PTFE/凯夫拉织物上，同时通过喷丸调节了金属基底的表面形貌。MAX沉积改变了纤维表面形貌，而喷丸引入了表面凹坑和凸点，促进了衬里-金属界面处的树脂浸渍和机械互锁。剥离测试结果证明基底表面处理...作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。致谢：本研究由国家自然科学基金支持。王征：概念化、方法论、撰写初稿；钱恩恩：数据管理、方法论；秦利国：资金获取、项目管理；罗宇森：形式分析；孙明庆：软件；卢山：调查；蒋木龙：撰写-审阅与编辑；董广能：监督。数据可应作者要求获得。