王廷梅/王齐华:多孔含油聚合物润滑材料研究取得系列进展

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相比传统的固体润滑和液体润滑材料，多孔含油聚合物材料具有贯通孔隙结构，经浸油处理后形成独立的“自循环”微供油体系，可在不需要外在辅助供油设备的前提下为轴承等部件提供持续润滑等特点，在高端装备制造和航空、航天等高技术领域具有重要应用。
　　近年来，中国科学院兰州化学物理研究所先进润滑与防护材料研发中心王廷梅研究员和王齐华研究员带领的团队从多孔含油聚合物材料的润滑机理出发，设计制备了一系列具有低摩擦磨损性能的新型多孔含油聚合物材料。
　　目前，多孔含油聚合物材料研究主要集中在制备高孔隙率、大孔径的多孔基体以存储更多的润滑剂，从而降低摩擦磨损。关于其润滑机理却鲜有报道，导致材料设计与开发缺乏理论支持。该团队率先从多孔聚合物微观孔隙结构、表面微区承载和润滑剂供给等方面开展了机理研究。多孔含油聚合物内部浸渍的润滑剂从孔隙内部迁移至摩擦界面，修复摩擦过程中破损的润滑膜以保证部件的平稳运行。内部润滑剂会在温度、压力或离心力的刺激下连续稳定地供给。与外部供油润滑相比，含油聚合物材料的摩擦学行为表现出明显的差异性，服役工况除了影响材料的机械性能外，更与材料内部润滑剂的供给密切相关，其润滑状态和摩擦系数变化趋势均表现得更加复杂。润滑油的供给量和服役工况共同决定了多孔含油聚合物材料所处的润滑状态。多孔含油聚合物材料的磨损主要表现为表面微区承载的塑性变形，堵塞孔隙结构使润滑剂不能及时供给至界面，导致摩擦系数波动较大。相关成果发表在Tribology Letters（2020, 68, 102）, Tribology International（2021, 157, 106891；2019, 140, 105728）和《空间控制技术与应用》（2019, 45, 3）上。

图1.多孔含油聚合物在温度刺激下的供油示意图

　　该团队利用表面织构的方法构筑了具有梯度孔隙结构的多孔含油聚酰亚胺复合材料，实现了润滑油的梯度存储和释放，保证了润滑油的持续稳定供给，从而获得优异的润滑性能。与传统单一孔径多孔含油材料相比，摩擦系数降低了45.71%，磨损率降低了77.08%。相关成果发表在Friction（2022, DOI: 10.1007/s40544-022-0642-5）上。此外，研究人员还通过在多孔聚合物材料内部构筑“储油池”，实现了大油量存储，提升了材料的含油保持率（油保持率为99%），相关成果发表在ACS Appl. Mater. Interfaces（2018, 10, 41699-41706; DOI: 10.1021/acsami.8b15198）上。

图2.具有梯度孔隙结构的多孔材料的表面和断面形貌

图3.内部构筑储油池的多孔含油聚合物材料的润滑剂存储和释放的示意图

　　针对多孔含油材料在离心力作用下的“被动”释放，缺乏按需主动调控问题，该团队利用超分子油凝胶的温度响应相变实现了多孔含油聚合物材料的按需调控润滑油释放。与浸渍常规润滑油的多孔材料相比，浸渍超分子油凝胶的多孔材料只在温度刺激下按需释放，含油保持率从66%提升到了99%。相关成果发表在ACS Appl. Mater. Interfaces（2022, 14, 8, 10936–10946; DOI:10.1021/acsami.1c22502）上。

图4.超分子油凝胶存储和释放的示意图

　　此外，目前常用做多孔基体骨架的工程塑料难以实现磨损后的自修复，而常见的自修复材料由于机械强度较低难以满足工程应用。该团队利用可相变的润滑材料在多孔材料表面构筑了一层润滑层，当润滑层发生磨损后可在温度刺激下释放内部存储的相变润滑剂，实现了对润滑层的修复，界面形成的润滑层避免了多孔骨架的磨损，可实现数百次的自修复。相关成果发表在Tribology International（2022, 165, 107303, DOI:10.1016/j.triboint.2021.107303）上。

图5.润滑层的自修复机制

　　近五年来，该团队相继突破了新型孔隙结构设计制备、孔隙率和机械强度兼容、孔隙均匀性和批产稳定性控制等关键技术，获得中国发明专利授权16件。
　　上述研究工作得到了国家自然科学基金、中科院战略性先导科技专项（C类）、中科院西部之光西部青年学者A类、中科院青年创新促进会等项目的支持。
        文章来源：兰州化物所
      王齐华，男，中国科学院兰州化学物理研究所研究员,博士生导师。1990年7月毕业于西北工业大学获工学学士学位，1998年7月于中国科学院兰州化学物理研究所获物理化学理学博士学位。2004年以高级访问学者身份在美国休斯敦大学化学系进行合作研究。现任中国科学院兰州化学物理研究所党委书记、副所长，博士生导师，研究员。国家杰出青年基金获得者，中国机械工程学会摩擦学分会第九届青年工作委员会副主任委员，甘肃省化学会理事，《润滑与密封》杂志编委会委员，《摩擦学学报》杂志编委会委员。目前主要从事的研究领域包括复合材料摩擦学、空间环境材料失效行为和机理研究以及苛刻条件下的润滑材料和密封技术研究。在国内外重要期刊发表论文100余篇。作为项目负责人或主要骨干，先后承担了20多项研究课题；获得国家自然科学二等奖1项、甘肃省科技进步一等奖1项、中科院科技进步一等奖1项，荣获中科院首届刘永龄奖和2006年国务院政府特殊津贴。