聚醚醚酮（PEEK）广泛应用于轻量化结构，但纯PEEK自身润滑性差制约了其进一步发展，而传统添加聚四氟乙烯（PTFE）润滑剂的方法润滑效率低下，且过多的PTFE会导致材料力学性能的显著衰退。因此，如何实现润滑相的可控分布与定向迁移，从而在摩擦界面构建稳定、有序的润滑层，已成为该领域面临的重大挑战。受人体软骨“在应力控制下释放滑液”机制的启发，巧妙地将二维材料MXene（Ti₃C₂Tₓ）作为“调控器”，与PTFE润滑剂协同作用，成功制备出新一代PEEK基复合材料。
近日，西北工业大学材料学院杜乘风副教授及其合作研究团队受人体关节软骨“在应力控制下释放滑液”机制的启发（图1a），创新性地提出仿生设计策略，将MXene作为润滑相PTFE释放和转移的响应调控器，实现PTFE的控制释放。通过分步混合与热压烧结工艺，使MXene纳米片与PTFE微粒优先结合，再分布于PEEK基体之中，制备出一系列具有精确组成的PEEK/MXene/PTFE复合材料（图1b）。这一材料制备策略确保了MXene与PTFE在基体中形成均匀分布的空间复合结构，为后续的成分及性能调控奠定了基础。摩擦学测试结果表明，MXene的引入显著改变了材料的摩擦学行为。其中，含5 wt% MXene和10 wt% PTFE的复合材料表现出最优异的综合性能：摩擦系数降低至0.060，比未添加MXene的样品降低了26.83%（图2）；并且磨损率保持在10-6 mm3/N·m量级。与已有报道的同类型复合材料相比，该系列复合材料在润滑性能与抗磨性能方面均处于领先水平。在保障最佳摩擦学综合性能的同时，MXene的添加也使材料的力学性能得到提升：抗压强度增加11%，且工程应变可增加一倍（图3）。根据分子动力学模拟（图4），MXene通过与PTFE形成强界面相互作用，使剪切滑移面被限制在PTFE层的最顶部区域，实现了低能量的PTFE分子间滑移。这一过程可精确调控PTFE在摩擦时的转移行为，从而显著降低摩擦阻力和材料磨损。
该工作以“MXene-Controlled PTFE Release for Ultra-Low Friction PEEK Composites“为题发表在国际知名期刊《Advanced Functional Materials》上。
图1 具有精确组成的PEEK(MXene)-PTFE复合材料的设计策略及其润滑相控制释放机制
图2 PEEK(MXene)-PTFE复合材料摩擦学表征结果
图3 PEEK(MXene)-PTFE复合材料力学表征结果
图4 PEEK(MXene)-PTFE复合材料摩擦过程的分子动力学模拟结果
本研究通过仿生的界面设计理念将二维MXene作为调控单元引入PEEK和PTFE复合材料中，并通过分步混合-热压烧结工艺实现了复合材料在摩擦过程中的润滑剂可控释放与转移。所制备的PEEK复合材料兼具超低摩擦系数、低磨损率以及高机械强度，不再需要以牺牲力学性能为代价换取润滑性。该策略为高性能自润滑聚合物的结构设计提供了一个全新的仿生调控维度。
原文链接：
http://doi.org/10.1002/adfm.202520137
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