科研進展
蘭州化物所聚合物-金屬互穿相復合材料功能化設計研究獲系列進展
在聚合物復合潤滑材料領域，現有方法主要采用零維、一維或二維功能填料復合改性，功能填料含量較低往往不足以形成連續相。聚合物仍然是復合材料內唯一的連續相，導致其力學強度、導熱性能和耐磨性能在很大程度上受制于聚合物基體。
中國科學院蘭州化學物理研究所潤滑材料全國重點實驗室聚合物摩擦學課題組，以三維連續金屬骨架為增強相，以研制聚四氟乙烯樹脂細粉或乳液為基體，采用液相浸漬、熱燒結制備泡沫金屬-聚四氟乙烯互穿相復合材料，通過結構參數調控、基體改性、界面構筑和基體/界面協同改性方法，拓展了泡沫金屬-聚四氟乙烯互穿相復合材料在潤滑領域的功能化應用。
研究人員研究了金屬骨架材料、孔隙率和面密度對連續相復合材料性能的影響規律，結果表明，泡沫鎳與聚四氟乙烯具有最優的親和性，表現為良好的界面結合與高填充率。隨孔隙率降低、面密度增加，泡沫金屬-聚四氟乙烯互穿相復合材料力學強度、摩擦磨損性能、導熱性能均隨之升高。特別是，以2%體積分數、孔隙率80%泡沫鎳增強聚四氟乙烯復合材料時，拉伸強度超過50 MPa，導熱系數達15.26 W/(m·K)，磨損率下降98.7%，解決了傳統聚四氟乙烯復合材料增強效果受制于基體的瓶頸問題。相關研究結果發表在 Friction（2025, 13(5): 9440948）和Tribology International（2025: 111346）上。
圖1. 泡沫鎳-聚四氟乙烯互穿相復合材料孔隙率分析
圖2. 泡沫鎳-聚四氟乙烯互穿相復合材料磨損機制及性能
研究人員還研究了無機填料引入對泡沫鎳-聚四氟乙烯互穿相復合材料性能的增強機制，結果表明，碳納米管在三維微米泡沫鎳表面形成納米網狀結構，促進了界面應力傳遞與熱量耗散，顯著提升了力學強度與導熱性能。得益于泡沫鎳與碳納米管形成的三維微/納網絡，復合材料輸出電流提高至1.5μA，是純聚四氟乙烯的30倍。摩擦起電響應長效穩定，與不同摩擦副具有普適性，展示了互穿相復合材料具備優異導電特性，可作為高效能量收集的摩擦電材料。相關研究結果發表在Small（2025, 21(5):2409607）上。
圖3. 微納復合網絡增強泡沫鎳-聚四氟乙烯復合材料設計
針對泡沫金屬與聚四氟乙烯異質界面結合弱的問題，研究人員采用氟硅烷偶聯劑對泡沫鎳三維連續界面進行液相氟化改性，同時在基體中引入少量氟化石墨。結果表明，界面-基體“雙氟化”的設計有效增強了泡沫鎳與聚四氟乙烯之間的界面結合，從而抑制外力拉伸時的變形與裂紋擴展；少量氟化石墨的引入增強了PTFE連續相的硬度、模量，使得雙連續相復合材料的導熱系數提升至1.3 W/(m·K)。得益于由聚四氟乙烯、鎳磨屑與氟化石墨在金屬配副表面形成的復合摩擦轉移膜，進一步改善了復合物的摩擦學性能，磨損率下降90.7%。相關研究結果發表在Composites Part B: Engineering（2025: 112816）上。
圖4. 界面-基體“雙氟化”增強泡沫鎳-聚四氟乙烯復合材料設計
蘇瑜潔博士生為論文第一作者，劉昊副研究員、于強亮研究員、王建章研究員為共同通訊作者。
上述研究工作得到了國家重點研發計劃項目的支持。
