聚苯硫醚（Polyphenylene sulfide,PPS）纖維因其突出的機械強度、本質阻燃特性及卓越化學穩(wěn)定性，在摩擦學工程領域具有重要應用潛力。但是，隨著航空裝備迭代升級與高新技術融合發(fā)展，纖維織物自潤滑復合材料作為關節(jié)軸承核心材料，其在極端工況下的使役性能面臨嚴峻挑戰(zhàn)。

近年來，中國科學院蘭州化學物理研究所蘭州潤滑材料與技術創(chuàng)新中心復合潤滑材料課題組針對纖維織物自潤滑復合材料的結構設計、制備工藝及其摩擦學性能進行深入研究，開發(fā)的多種高性能纖維織物自潤滑復合材料已實現(xiàn)工程化應用。

研究人員重點圍繞兩個方向開展PPS/PTFE纖維織物自潤滑復合材料的性能優(yōu)化，通過引入增強材料對織物復合材料進行功能化改性，利用協(xié)同效應提升復合材料的承載能力和自潤滑特性；采用等離子處理、化學吸附等方法對纖維表面進行界面改性，實現(xiàn)纖維-樹脂的化學鍵合，提升纖維與樹脂之間的界面結合強度。研究人員制備了系列MXene基功能增強材料 (?DOPO-HQ-IPTS@Ti₃C₂T_x，Ti₃C₂T_x-h-BN?)，并將其引入PPS/PTFE纖維織物自潤滑復合材料體系，實驗證實MXene基功能增強材料可顯著提升織物復合材料的熱穩(wěn)定性、拉伸強度及摩擦學性能，相關成果發(fā)表在Tribology International?(?https://doi.org/10.1016/j.triboint.2022.108136，https://doi.org/10.1016/j.triboint.2024.109341?)上。

在界面優(yōu)化方面，研究人員通過系統(tǒng)篩選優(yōu)化界面處理策略，發(fā)現(xiàn)基于牛血清白蛋白（BSA）的生物分子修飾可有效改善纖維表面特性。實驗結果顯示，BSA處理使纖維表面粗糙度顯著增加且成功引入氨基、羧基等活性官能團。這種多尺度改性策略通過機械互鎖效應與化學鍵合協(xié)同作用，使纖維-樹脂界面粘接強度有效提升，進而改善纖維織物自潤滑復合材料的摩擦磨損性能，相關成果發(fā)表在Tribology International?(?https://doi.org/10.1016/j.triboint.2023.108587?)和Friction?( https://doi.org/10.26599/FRICT.2025.9440914 )上。

近期，針對纖維織物自潤滑復合材料摩擦學性能協(xié)同優(yōu)化的技術難題，研究團隊基于前期研究基礎，制備了具有核殼結構的Ti₃C₂/SA/TiO₂-MePCM相變微膠囊。該微膠囊以機械強度優(yōu)異的二氧化鈦為殼層增強復合材料力學性能，內核正二十二烷通過相變作用吸收摩擦熱并實現(xiàn)局部固-液協(xié)同潤滑，同時二維材料Ti₃C₂T_x憑借其層間滑移特性和高承載能力有效降低復合材料的摩擦損傷。實驗數(shù)據(jù)表明，引入該微膠囊后纖維織物自潤滑復合材料的摩擦系數(shù)由0.053降至0.046，磨損率由8.9×10^-14m³ (N·m)^-1顯著降低至3.5×10^-14m³(N·m)^-1。研究團隊通過多種表征技術系統(tǒng)解析了摩擦膜的微觀形貌演變規(guī)律，闡明了織物復合材料的減摩抗磨作用機制，為核殼結構材料在摩擦學領域的創(chuàng)新應用提供了理論支撐。

圖1. Ti₃C₂T_x修飾相變微膠囊的合成策略及反應機理示意圖

圖2. 增強纖維織物自潤滑復合材料的摩擦膜微觀結構

相關工作發(fā)表在Tribology International(https://doi.org/10.1016/j.triboint.2024.110038)。何要輝博士為論文第一作者，張招柱研究員為通訊作者。

以上工作得到了國家自然科學基金委、中國科學院戰(zhàn)略性先導科技專項和甘肅省重大科技專項等項目的支持。