微泡包埋固液复合涂层的摩擦学行为调控和长效润滑

微泡包埋固液复合涂层的摩擦学行为调控和长效润滑

        新兴技术和工程机械的快速发展增加了对机械系统中润滑传动部件的需求。因此，人们对润滑材料的设计和实施越来越感兴趣。与固体润滑剂相比，液体润滑剂具有更低的剪切力，在涂层中表现出优异的摩擦学性能，特别是提供较低的摩擦系数，通常为1−2个数量级。因此，固液复合润滑是降低摩擦系数和磨损率的一种重要而有效的方法。将液体润滑剂加入固体有机树脂中以形成聚合物基润滑剂涂层已被证明能有效实现固液复合润滑性能。先前的研究主要集中在用液体润滑剂/聚合物填充的纳米容器或受猪笼草启发的液体注射表面（LIS）的构建上。与LIS不同，液体嵌入复合涂层在制备方便、耐用性和在不同工作条件下的适用性方面具有更大的潜力。尽管有这些优点，但这种类型的涂层仍然面临挑战，例如液体润滑剂的流动性有限，基质的机械强度受损，以及与液体润滑剂储存和释放相关的复杂性。目前的研究工作主要集中在通过构建更强的液滴壳来减轻基体强度损伤，不幸的是，这会通过强畴限制进一步限制液滴的流动性。例如，Li等人通过在环氧树脂中加入强亚麻子油填充的多孔玻璃泡/蜡微胶囊开发了一种复合涂层，实现了高机械强度但相对较高的摩擦系数。将“游离”液体润滑剂液滴直接引入树脂相中已经证明了实现更低摩擦系数的潜力。我们之前的研究涉及聚氨酯固液复合涂层的开发，该涂层包含游离甲基硅油（MSO）液滴，并获得了0.009的极低摩擦系数，但明显表现出较低的承载能力和磨损寿命。不利影响主要由相分离和液滴团聚导致的基体机械弱化引起。这些发现强调了基体的机械强度和液体润滑剂的流动性在增强摩擦性能方面的关键重要性。

        在这一点上，预计结合通过物理吸附构建的硬模板壳结构将实现弱畴限制、液滴分布调节和基体增强。具有强双相润湿性的纳米粒子可以吸附在油水界面，通过分散强化来稳定乳液并增强树脂体。在这方面，凹凸棒石（APT）是一种天然的水合镁铝硅酸盐粘土矿物，具有2:1的层状结构和棒状晶体形态，由于其特殊的物理化学性质，显示出巨大的前景。具体而言，高纵横比、丰富的表面活性基团和独特的晶内隧道为APT提供了分散增韧能力，同时也赋予了独特的表面反应性和吸附性能。值得注意的是，滑动层的结构很容易转移到摩擦界面，在摩擦过程中形成摩擦膜，以提高摩擦学性能。通过选择高强度树脂聚酰胺酰亚胺（PAI）作为固体基质材料，可以进一步提高机械性能。交替的酰亚胺环和酰胺键赋予其耐高温、优异的机械性能和高蠕变性能，使其适合在苛刻条件下调节界面性能，如高速、高压和高温。

        液体嵌入复合材料涂层中的摩擦界面通常由不连续的流体膜和粗糙的固体接触表面组成，它们结合在一起，非常容易剪切，并延长了磨损寿命。然而，由于提高液体润滑的自由度和增加固体基体的力学强度的矛盾性质，实现混合润滑的高效性带来了挑战。最近的工作集中在整合信息填充物来开发多组分、多阶段的假设，以解决这一矛盾。中科院兰州化学物理研究所陈建敏研究员课题组描述了一种具有强双向润湿性的改性凹凸棒石（APT），通过对具有长非极烷基链的APT纳米容器进行油减压渗透处理。这种改性的APT能够通过构建Pickering乳液来控制润滑剂滴的大小、分布和流动性，并通过分散强化来强化固相基质。此外，APT的引入导致了摩擦过程中固体摩擦膜的形成，其具有较高的吸油能力，这通过基于密度泛函理论（DFT）的第一原理计算得到了验证。因此，流体膜可以通过纳米容器的破裂和体相的吸附来补充；对摩擦界面的进一步理解和有效调节可降低摩擦和磨损。

文章链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.3c16604