宽温域固液耦合自润滑微胶囊在聚合物复合材料中的摩擦学应用研究

《Advanced Composites and Hybrid Materials》：Solid-liquid coupled self-lubricating microcapsules with a wide temperature range: tribological applications in polymer composites

　　本研究针对高温热塑性树脂PPEK在摩擦应用中易磨损的技术瓶颈，创新性地设计了hBN-SiO2杂化固体润滑填料与聚酯油协同的OIL/hBN-SiO2@PI微胶囊。该微胶囊在310°C高温下保持稳定（3小时质量损失仅9.8 wt%），使PPEK复合材料摩擦系数降低86.0%（μ=0.089），磨损率下降91.5%（ω=1.70×10-15m3/(N·m)），并通过"固液协同"润滑机制形成稳定转移膜，为高温工况下自润滑聚合物复合材料设计提供了新思路。

　　

在高端装备制造领域，聚合物复合材料因其轻质、耐腐蚀等优势广泛应用于运动部件。然而，摩擦磨损问题严重制约其使用寿命，尤其对于聚酞嗪酮醚酮（PPEK）这类需在300°C以上成型的高性能工程塑料，传统润滑策略难以兼顾高温稳定性与长效润滑需求。现有微胶囊技术虽能通过释放液体润滑剂降低摩擦，但单一组分润滑体系存在机械强度不足、润滑膜耐久性差等缺陷，且高温下微胶囊易失效，导致润滑功能衰减。这一技术瓶颈亟需通过创新材料设计破解。

针对上述挑战，大连理工大学研究团队在《Advanced Composites and Hybrid Materials》发表研究，提出了一种固液耦合自润滑微胶囊新策略。该工作通过原位生长法制备 hexagonal boron nitride（hBN）-nano-silica（SiO₂）杂化固体润滑填料，将其与聚酯油（OIL）共同封装于聚酰亚胺（PI）壳层中，构建了OIL/hBN-SiO₂@PI微胶囊系统。该设计巧妙融合了hBN的层间滑移特性、SiO₂的硬质承载优势以及液体润滑油的润湿性，实现了宽温域内（室温至300°C）的协同润滑效应。

关键技术方法包括：通过溶胶-凝胶法在hBN表面原位生长SiO_{2纳米颗粒构建杂化填料；采用乳化-溶剂蒸发工艺将含填料的润滑油封装于PI壳层；通过热压成型将微胶囊与PPEK基体复合；利用摩擦磨损试验机（ASTM-G133标准）评估材料在高温条件下的 tribological properties（摩擦学性能）。}

3.1 Structural Characterization of hBN-SiO₂

扫描电镜（SEM）和透射电镜（TEM）显示SiO₂纳米颗粒（直径约200 nm）成功锚定于hBN表面。X射线衍射（XRD）与傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析表明，原位生长过程未改变hBN与SiO₂的晶体结构，且通过羟基化修饰实现了两相稳定结合。

3.2 SEM of OIL/hBN-SiO₂@PI microcapsules

微胶囊呈规则球形（直径30–50 μm），表面致密无缺陷。与单一填料微胶囊相比，OIL/hBN-SiO₂@PI表面更光滑，hBN-SiO₂分散均匀，表明杂化结构有效改善了填料团聚问题。

3.3 Chemical structure and thermal stability

FTIR谱图证实微胶囊同时具备PI壳层（C=O特征峰1782/1720 cm^?1）与润滑油核心（–CH₃峰1466 cm^?1）的特征峰，且存在hBN（B–N峰1380 cm^?1）和SiO₂（Si–O峰800 cm^?1）信号。热重分析（TGA）显示微胶囊在310°C下核心含量达56 wt%，3小时热失重仅9.8 wt%，显著优于纯润滑油（79.37 wt%残留率），证明PI壳层有效提升了高温稳定性。

3.4 Mechanical Performance

PPEK-OIL/hBN-SiO₂@PI复合材料的压缩强度达132.8 MPa，高于纯PPEK（128.1 MPa）和仅含液体润滑油的复合材料（106.5 MPa）。高温压缩测试表明，材料在300°C时仍保持24.7 MPa强度，动态热机械分析（DMA）显示其玻璃化转变温度（T_g）为272°C，满足高温服役需求。

3.5 DMA

杂化填料的引入使复合材料储能模量（E'）提升至2443 MPa，损耗因子（Tanδ）降低，表明填料增强了分子链刚性并减少了内摩擦。

3.6 Frictional properties

摩擦测试表明，PPEK-OIL/hBN-SiO₂@PI的摩擦系数（μ=0.089）和磨损率（ω=1.70×10^?15m³/(N·m)）较纯PPEK分别降低86.0%和91.5%。三维形貌显示其磨痕深度仅3.9 μm，且摩擦曲线波动更小，印证了润滑膜的稳定性。

3.7 Wear surface of composites and friction pairs

SEM和能谱（EDS）分析发现，复合材料磨损表面无显著犁沟，且存在C、N、O、Si、B等元素分布，证实微胶囊破裂后释放的hBN-SiO₂与润滑油共同形成了边界润滑膜。对磨钢球表面划痕浅而均匀，进一步验证了"固液协同"的减磨机制。

3.8 XPS analysis

X射线光电子能谱（XPS）检测到摩擦表面存在B–N（190.1 eV）和Si–O（101.8 eV）等特征峰，直接证明了hBN-SiO₂填料参与形成了转移膜。

3.9-3.10 High-temperature tribological properties

在100–300°C范围内，复合材料摩擦系数（0.061–0.077）和磨损率（1.10–1.60×10^?15m³/(N·m)）均优于室温性能。200°C时润滑效果最佳，磨痕最浅；300°C时因基体软化出现微裂纹，但低粘度润滑油与hBN-SiO₂的协同作用仍维持了良好润滑。

3.11 Friction mechanism

研究揭示了"滑动-滚动"协同机制：hBN提供层间滑移降低摩擦，SiO₂通过滚动效应增强承载，二者在液体润滑膜中协同作用，形成了耐久且稳定的固液复合润滑体系。

本研究通过创新设计的固液耦合微胶囊，成功实现了PPEK复合材料在宽温域内的高效自润滑。微胶囊核心的hBN-SiO₂杂化填料不仅提升了机械强度，还通过"滑动-滚动"效应优化了润滑膜动态性能。该策略突破了高温工况下聚合物润滑的技术壁垒，为航空航天、车辆船舶等领域的耐磨部件开发提供了新材料解决方案。