聚醚醚酮（PEEK）作為輕量化機(jī)器人的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)材料，因其優(yōu)異的機(jī)械性能和耐磨性而備受關(guān)注，然而其自潤(rùn)滑性差限制了在運(yùn)動(dòng)部件中的應(yīng)用。純PEEK在無(wú)油條件下摩擦系數(shù)較高（0.4–0.6），難以滿(mǎn)足實(shí)際需求。以往通過(guò)添加聚四氟乙烯（PTFE）改善潤(rùn)滑性，但PTFE會(huì)破壞PEEK基體連續(xù)性，導(dǎo)致機(jī)械性能和耐磨性下降。受生物關(guān)節(jié)中軟骨結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，研究人員提出模擬軟骨中滑液受控釋放的機(jī)制，通過(guò)調(diào)控PTFE在摩擦過(guò)程中的轉(zhuǎn)移行為，實(shí)現(xiàn)在低PTFE含量下兼具良好潤(rùn)滑與力學(xué)性能的復(fù)合材料。

西北工業(yè)大學(xué)杜乘風(fēng)副教授、齊衛(wèi)宏教授、余泓副教授合作通過(guò)熱壓燒結(jié)成功制備了PEEK基復(fù)合材料，其中PTFE作為潤(rùn)滑相，Ti?C?T? MXene作為轉(zhuǎn)移膜調(diào)控介質(zhì)。通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)優(yōu)化PTFE與MXene配比，發(fā)現(xiàn)在PTFE含量為10 wt.%時(shí)，添加MXene可使工程應(yīng)變提高一倍，壓縮強(qiáng)度提升11%，同時(shí)摩擦系數(shù)降至0.060±0.001，較無(wú)MXene復(fù)合材料降低26.83%，磨損率維持在10?? mm3 N?1 m?1的低水平。分子動(dòng)力學(xué)模擬表明，MXene與PTFE之間的強(qiáng)界面結(jié)合實(shí)現(xiàn)了PTFE的受控釋放，從而顯著提升復(fù)合材料的潤(rùn)滑與耐磨性能。相關(guān)論文以“MXene-Controlled PTFE Release for Ultra-Low Friction PEEK Composites”為題，發(fā)表在

Advanced Functional Materials

研究團(tuán)隊(duì)首先通過(guò)示意圖1類(lèi)比軟骨結(jié)構(gòu)與復(fù)合材料設(shè)計(jì)機(jī)制：軟骨在壓力下控制滑液釋放形成潤(rùn)滑膜（圖a），而PEEK復(fù)合材料中MXene與PTFE顆粒共同嵌入基體，MXene調(diào)控PTFE在摩擦過(guò)程中的轉(zhuǎn)移行為，形成連續(xù)潤(rùn)滑膜（圖b）。圖1系統(tǒng)展示了復(fù)合材料的摩擦學(xué)性能：隨著PTFE含量增加，摩擦系數(shù)逐漸降低，但超過(guò)10 wt.%后效果減弱；MXene的引入進(jìn)一步降低摩擦系數(shù)，尤其在低PTFE含量下效果顯著。磨損率隨PTFE含量先降后升，而MXene含量增加則使磨損率先升后降。正交分析表明，PTFE對(duì)摩擦系數(shù)和顯微硬度影響更大，而MXene則與摩擦系數(shù)負(fù)相關(guān)、與硬度正相關(guān)。90(Ti?C?T?)-10復(fù)合材料在摩擦系數(shù)和磨損率方面均優(yōu)于現(xiàn)有報(bào)道的PEEK/PTFE體系。

示意圖1 （a）軟骨結(jié)構(gòu)及其應(yīng)力響應(yīng)滑液釋放的自潤(rùn)滑機(jī)制示意圖；（b）T?C?T? MXene@PTFE顆粒嵌入PEEK復(fù)合材料及通過(guò)PTFE受控轉(zhuǎn)移實(shí)現(xiàn)自潤(rùn)滑的機(jī)制示意圖。

圖1 （a）PEEK(Ti?C?T?)-PTFE復(fù)合材料的摩擦學(xué)性能；（b）復(fù)合材料的平均摩擦系數(shù)和（c）磨損率；（d）3D點(diǎn)圖與熱圖展示PTFE和Ti?C?T?含量對(duì)平均COF、WR和顯微硬度的影響；（e）已報(bào)道PTFE、PEEK及PEEK-PTFE復(fù)合材料的COF與WR總結(jié)。

圖2通過(guò)SEM和EDS分析了磨損表面及其元素分布。低PTFE含量時(shí)磨損表面呈現(xiàn)波浪形塑性變形；PTFE為10 wt.%時(shí)表面光滑，形成連續(xù)潤(rùn)滑膜；而高PTFE含量下出現(xiàn)PTFE聚集導(dǎo)致局部點(diǎn)蝕，磨損率升高。MXene的加入使ZrO?球磨斑上元素分布更均勻，有效抑制PTFE過(guò)度轉(zhuǎn)移。FIB-TEM進(jìn)一步在ZrO?球表面觀察到約4 nm厚的非晶轉(zhuǎn)移膜，含有Ti和F元素，證實(shí)PTFE與MXene共同轉(zhuǎn)移形成潤(rùn)滑層。

圖2 （a–e）與各系列中最低摩擦系數(shù)復(fù)合材料對(duì)應(yīng)的ZrO?球上磨斑的SEM圖像；（f）ZrO?球磨斑內(nèi)外區(qū)域及磨斑內(nèi)部原子組成對(duì)比（左），Ti與F元素原子百分比放大圖（右）；（g,h）ZrO?球?qū)﹃?0(5)-10復(fù)合材料后表面轉(zhuǎn)移膜的TEM圖像；（i）轉(zhuǎn)移膜區(qū)域高分辨TEM顯示非晶特征；（j）EDS映射顯示薄膜中Ti和F的分布，Au為FIB加工保護(hù)層。

機(jī)械性能方面，圖3的壓縮測(cè)試顯示，MXene的加入提高了PEEK復(fù)合材料的剛度，但降低了塑性變形能力。在90(Ti?C?T?)-10體系中，0.5 wt.% MXene使應(yīng)變超過(guò)30%，壓縮強(qiáng)度提升11%。但隨著MXene含量增加，復(fù)合材料逐漸脆化。圖4的斷裂表面SEM顯示，純PEEK為韌性斷裂，加入MXene后斷裂面變粗糙，出現(xiàn)微裂紋和界面脫粘；而在PTFE復(fù)合體系中，MXene主要分布于PTFE區(qū)域，界面斷裂特征明顯。

圖3 （a）PEEK(Ti?C?T?)復(fù)合材料與（b）90(Ti?C?T?)-10復(fù)合材料的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線；（c）平均壓縮強(qiáng)度與（d）偏移壓縮屈服強(qiáng)度（OCYS）隨Ti?C?T?含量的變化。

圖4 （a–e）PEEK及PEEK(Ti?C?T?)樣品的斷裂表面（插圖：斷裂樣品實(shí)物圖）；（f–j）90-10與90(Ti?C?T?)-10復(fù)合材料的斷裂表面（插圖：斷裂樣品實(shí)物圖），EDS映射疊加顯示Ti（黃色）與F（粉色）元素分布。

為揭示MXene的調(diào)控機(jī)制，圖5的分子動(dòng)力學(xué)模擬表明，引入Ti?C?O?層后，PTFE鏈的滑動(dòng)僅限于表層，與MXene強(qiáng)結(jié)合，滑移主要發(fā)生在ZrO?/MXene界面；而無(wú)MXene時(shí)，整個(gè)PTFE層發(fā)生剪切，導(dǎo)致大量轉(zhuǎn)移和界面破壞。這解釋了MXene如何促進(jìn)形成穩(wěn)定的薄層PTFE潤(rùn)滑膜，從而實(shí)現(xiàn)低摩擦與高耐磨。

圖5 （a）含與不含Ti?C?O?層的分子動(dòng)力學(xué)模擬單元結(jié)構(gòu)；（b）滑動(dòng)過(guò)程最終狀態(tài)模型快照；（c）滑動(dòng)最后500 fs內(nèi)PTFE鏈平均速度隨高度變化曲線。

綜上所述，本研究通過(guò)優(yōu)化MXene與PTFE的配比，成功開(kāi)發(fā)出具有超低摩擦與優(yōu)異力學(xué)性能的PEEK復(fù)合材料。90(Ti?C?T?)-10復(fù)合材料在壓縮強(qiáng)度、塑性變形和耐磨性方面表現(xiàn)突出，摩擦系數(shù)低至0.060。MXene通過(guò)強(qiáng)界面作用控制PTFE轉(zhuǎn)移，模擬了生物潤(rùn)滑中的受控釋放機(jī)制。該策略為高性能自潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)材料的設(shè)計(jì)提供了新思路，有望推動(dòng)輕量化機(jī)器人運(yùn)動(dòng)部件的技術(shù)發(fā)展。

來(lái)源：高分子科學(xué)前沿

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