聚四氟乙烯（PTFE）以其优异的自润滑性能在航空航天、汽车工业等领域应用广泛，但其分散相容性和耐磨性差仍是亟需解决的关键难题。
近年，中国科学院兰州化学物理研究所固体润滑国家重点实验室功能润滑材料课题组和先进润滑与防护材料研发中心工程用特种润滑材料课题组共同致力于润滑材料的功能组装策略、结构调控、性能优化及摩擦学机理等系统研究。研究人员通过PTFE与有机/无机材料的结构设计和功能修饰制备了系列PTFE基复合润滑材料，解决了物理共混制备复合材料时分散不均和相分离等问题。研究成果对PTFE基聚合物复合润滑材料、润滑添加剂及涂层材料的应用提供了理论与实验依据。
为改善PTFE作为摩擦副元件使用时耐磨性不足的问题，研究人员制备了以PTFE为核，酚醛树脂、聚丙烯酸酯为壳的核壳复合材料（PTFE@PR、PTFE@PACR），在苛刻工况下获得了高承载性和耐磨性（图1）。优异的摩擦学性能与转移膜的均匀性、结晶性及其与基底的结合作用密切相关。部分成果发表在Tribol Int（2020, 144, 106092； 2021, 154,106718）和J Appl Polym Sci（2019, 136, 47774）上，相关技术获中国发明专利授权（ZL 201911007819.X）一项。
图1 不同工况下PTFE基核壳复合材料的结构设计和性能研究
为解决PTFE用作固、液润滑添加剂时相容性和分散性较差的问题，研究人员借助壳体材料表面丰富的官能团，通过乳液聚合-溶胶凝胶法、静电自组装法制备了PTFE@SiO2、MXene@PTFE和GO@PTFE核壳微粒。摩擦过程中转移膜的均匀性及与基底的结合强度是复合材料在环氧树脂、PAO6和水润滑体系中具有优异摩擦学性能的根本原因（图2）。部分成果发表在Mater Design（2020, 195, 109069）、Carbon（2021, 184, 12-23）、Tribol Int（2021, 160, 107016；2021，158, 106930；2022, 169, 107485）和《摩擦学学报》（2021, 41, 522-531）上，相关技术获中国发明专利授权（ZL 202010092324.8）一项。
图2 PTFE基固、液润滑添加剂的结构设计和性能调控
基于PTFE复合材料优异的摩擦学性能与转移膜微观结构间的相关性，研究人员在摩擦诱导下制备了PTFE基异质润滑涂层（PTFE/Al3+-GS和PTFE/Al3+-MXene），并对相关转移润滑理论进行了模拟研究（图3）。通过结构分析和分子动力学模拟揭示了转移膜的形成机理、结构演变及界面摩擦化学反应的相关机制。部分成果发表在Tribol Int（2022, 168: 107455）和Chem Eng J（2022，10.1016/j.cej.2022.136238）上，申请中国发明专利（CN 202111212961.5）一项。
图3 PTFE基异质涂层的设计制备及转移润滑机制研究
上述工作由兰州化物所杨亚文博士研究生和王娜博士完成，指导老师是王金清研究员、王宏刚研究员和李章朋特聘青年研究员。
以上研究得到了国家自然科学基金项目（51675509和52175203）、兰州化物所固体润滑国家重点实验室等的支持。
