科研進(jìn)展
蘭州化物所各向異性石墨烯氣凝膠/環(huán)氧樹脂（GA/EP）復(fù)合材料摩擦學(xué)性能研究獲新進(jìn)展
當(dāng)前，精密傳動部件、機器人關(guān)節(jié)和微驅(qū)動系統(tǒng)等智能裝備對界面各向異性摩擦功能提出了迫切需求。與金屬材料通過激光紋理或溝槽陣列等表面加工技術(shù)實現(xiàn)各向異性摩擦不同，在采用類似方法加工環(huán)氧樹脂（EP）基聚合物材料時存在熔融變形、快速磨損、耐久性差及可靠性不足等問題，難以實現(xiàn)各向異性摩擦功能。
基于此，中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所潤滑材料全國重點實驗室功能潤滑材料課題組基于定向冷凍鑄造與真空浸漬協(xié)同技術(shù)開展各向異性石墨烯氣凝膠/環(huán)氧樹脂（GA/EP）復(fù)合材料的設(shè)計制備與摩擦學(xué)性能研究工作。
結(jié)果表明，GA/EP復(fù)合材料的熱傳導(dǎo)、力學(xué)和摩擦學(xué)性能均與氣凝膠的微觀取向高度相關(guān)（圖1）。GA/EP復(fù)合材料頂部（T）接觸界面具有高度取向的三維導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)出高彈性模量和最優(yōu)潤滑性能（摩擦系數(shù)低至0.06）；平行石墨烯冰晶生長的橫向方向（LA）在滑動過程中摩擦應(yīng)力穩(wěn)定在20-40 atm，形成連續(xù)潤滑界面，摩擦系數(shù)穩(wěn)定在0.09；在垂直的徑向方向（LR）上，連續(xù)滑動破壞了石墨烯片的取向，導(dǎo)致摩擦界面無序化，摩擦應(yīng)力驟增至50,000-100,000 atm，摩擦系數(shù)急劇升高，與LA方向差異達(dá)226%，并引發(fā)石墨烯片遷移和EP分子鏈斷裂，導(dǎo)致磨損加劇。分子動力學(xué)模擬和實驗結(jié)果相吻合，證實LA方向的定向石墨烯片通過減少GA/EP與滑塊間的相互作用能，形成剪切友好界面；而LR方向因石墨烯片排列被破壞，界面阻力激增。這種通過內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計實現(xiàn)的摩擦各向異性EP復(fù)合材料在機器人機械臂抓取-傳遞-釋放系列操作、精密傳動等應(yīng)用場合具有獨特優(yōu)勢，可滿足對動態(tài)摩擦系數(shù)的差異化需求，推動精密裝備向自適應(yīng)、長壽命和智能化方向的快速發(fā)展。
該研究工作以“Frictional anisotropy behavior of graphene oxide aerogel/epoxy composite and its friction mechanism exploration”為題發(fā)表于Composites Part B（2026, 311: 113191）上，博士研究生高煌為論文第一作者，楊亞文助理研究員和王金清研究員為共同通訊作者。
上述研究工作得到了中國科學(xué)院基礎(chǔ)與交叉前沿科研先導(dǎo)專項、國家自然科學(xué)基金面上項目以及蘭州化物所潤滑材料全國重點實驗室的支持。
圖1. 各向異性GA/EP復(fù)合材料的制備、摩擦學(xué)性能與界面潤滑機制研究
