中科院兰州化物所刘维民院士、王道爱研究员AFM：超润滑多孔聚酰亚胺材料

多孔聚酰亚胺（PPI）因其优异的化学稳定性、机械性能和绝缘特性，在航天航空、微电子领域应用广泛。其多孔结构可存储润滑油，在热压条件下释放润滑剂减少摩擦。然而，孔隙结构会削弱材料表面强度，导致弹性坍塌和耐磨性下降。传统自润滑PPI材料难以兼顾超低摩擦系数（10⁻²级）、超低磨损率（10⁻⁸ mm³·N⁻¹·m⁻¹级）与高储油率/保油率的平衡，成为制约航天轴承等关键部件寿命的技术瓶颈。

中国科学院兰州化学物理研究所王道爱研究员、刘维民院士和张立强助理研究员提出"自适应受限润滑"新策略，成功制备出MoS₂-油凝胶复合多孔聚酰亚胺（PPI-gel-TAM）。该材料实现了宏观超润滑（摩擦系数≈0.007），磨损率从3.52×10⁻⁵显著降至2.81×10⁻⁸ mm³·N⁻¹·m⁻¹，同时具备18.2%的高储油率和97.7%的保油率。其核心是通过四重协同机制：多孔结构供油、润滑油剪切变稀特性、功能化MoS₂与油分子相互作用，以及摩擦保护膜的形成。相关论文以“Hierarchical MoS2 -Oleogel in Porous Polyimides: A Self-Adaptive Confined Lubrication strategy for Ultralow Frictionand Wear”为题，发表在Advanced Functional Materials 上。

技术创新解析

图1揭示了材料设计原理：通过单宁酸剥离MoS₂纳米片（TA-MoS₂），与聚酯酐凝胶剂共混制备改性PAO 10凝胶（PAO 10 gel-TAM），再真空浸渍入多孔聚酰亚胺基体。图2显示PPI-gel-TAM的孔隙尺寸为2.1μm，孔隙率21.65%，改性凝胶填充孔隙后仍保持640.6 MPa的杨氏模量。储油率比传统PAO 10润滑体系提升27%，离心实验证明其保油率高达97.7%，克服了润滑油渗漏难题。

图1 超低摩擦磨损自润滑多孔聚酰亚胺（SL-PPI）的概念与制备流程 a) SL-PPI设计示意图 b) 制备流程：i) 单宁酸改性MoS₂薄片（TA-MoS₂），ii) 改性PAO 10凝胶（PAO 10 gel-TAM），iii) 凝胶浸渍多孔聚酰亚胺（PPI-gel-TAM）

图2 PPI-gel-TAM、PAO 10 gel-TAM和TA-MoS₂的表征 a,b) PPI和PPI-gel-TAM的光学照片与FE-SEM截面图 c) PPI表面原子力显微镜（AFM）图像 d) PPI与PPI-gel-TAM的压缩应力-应变曲线 e) PAO 10凝胶与PAO 10 gel-TAM的光学照片 f) 不同润滑剂的傅里叶变换红外光谱（FT-IR） g) PAO 10、PAO 10凝胶和PAO 10 gel-TAM的黏度随剪切速率变化曲线

图3摩擦学测试表明：含TA-MoS₂的油凝胶使PPI摩擦系数降低至0.007，磨损深度从21.31μm降至0.29μm。在5-10N载荷及3-4Hz频率下可持续实现超润滑，寿命超过17万次滑动循环（12小时），性能远超同类材料（如图3h对比数据）。图4通过透射电镜和XPS分析发现，摩擦界面形成约22.8nm的均匀反应膜，含Fe₂O₃和FeS组分，有效隔离摩擦副直接接触。

图3 不同润滑剂浸渍PPI的摩擦学性能 a) 摩擦实验装置示意图 b) 含不同润滑剂PPI的摩擦系数 c) 磨损率对比 d) 磨痕深度曲线 e) 胶凝剂浓度对摩擦系数的影响 f) MoS₂浓度对摩擦系数的影响 g) PAO 10 gel-TAM浸渍PPI的长期摩擦系数 h) 与既往研究的摩擦系数/磨损率对比

图4 改性PAO 10凝胶浸渍PPI的润滑机制 a) 钢球磨痕截面的TEM图像 b,c) 磨痕区域不同位置的HR-TEM图像（插图为放大区域） d) 钢球摩擦膜的HAADF图像及e) Fe、O、S、Mo元素分布 f-h) 摩擦膜的高分辨率XPS谱：f) O1s, g) Fe2p, h) S2p i) PPI-gel-TAM的工作机理图示

图5分子动力学模拟证实：MoS₂的加入使体系摩擦力降低81.4%，硫原子高扩散活性促进了保护膜形成。这种自适应机制使润滑油能在机械/热刺激下动态释放，并在毛细力作用下回吸，实现智能润滑循环。

图5 Fe-PI摩擦体系的非平衡分子动力学（NEMD）模拟 a,b) 含HSA+SA+TA（系统1）和HSA+SA+TA+MoS₂（系统2）的摩擦模型初始/终止状态 c,d) 系统1和系统2界面原子扩散与摩擦膜形成 e) 氧（系统1）与硫（系统2）的均方位移（MSD） f,g) 两体系的摩擦力与法向力对比

应用前景

该研究为自润滑多孔聚合物提供了新范式，通过分级受限结构协同作用，同步攻克了高储油率、高保油率、超低摩擦与磨损的兼容难题。该材料在航天轴承、长寿命机械部件领域具有重大应用潜力。

来源：高分子科学前沿

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