清华大学AFM：新型自修复超润滑复合材料问世

在机械运动系统中，摩擦是导致能源浪费和设备磨损的主要原因之一。全球约五分之一的机械能耗被摩擦所消耗，近80%的机械部件因磨损而失效。实现“超润滑”状态，即摩擦系数低于0.001，对提升能效与设备寿命具有重要意义。然而，目前在聚合物复合材料中同时实现宏观超润滑与自修复功能仍面临巨大挑战，主要源于原子级有序界面与动态键自愈机制之间的固有矛盾。

近日，清华大学解国新教授、张琳助理研究员、Li Mengyu研究团队成功开发出一种具有自修复功能的宏观超润滑复合材料。该材料采用油-溶剂混合微胶囊作为双功能填料，嵌入聚合物基体中，实现了摩擦系数低至约0.0065的宏观超润滑状态，并具备高达86%的自修复效率。这项研究为智能复合材料表面的超润滑设计与工业运动部件的长效耐用提供了全新解决方案。相关论文以“Macroscale Superlubricity Composites with Self-Healing Functions”为题，发表在

Advanced Functional Materials

研究团队通过原位水包油乳液聚合法制备了以聚α烯烃（PAO）和有机钼（MoDTC）为润滑剂、邻苯二甲酸二丁酯（DBP）为修复剂的混合微胶囊。这些微胶囊直径约为5微米，具有明显的核壳结构，成功将润滑与修复组分封装其中。与此同时，聚四氟乙烯（PTFE）被聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）包覆形成约200纳米的固体胶囊，作为复合材料的基本构筑单元。通过放电等离子烧结技术，将微胶囊与PTFE@PMMA基体复合，在150°C下成型，确保了微胶囊在加工过程中的完整性。

图1：嵌入微胶囊的PTFE@PMMA复合材料的形成过程。 a) 微胶囊合成过程示意图。 b) 油-溶剂混合微胶囊的SEM、TEM图像及EDS元素分布图，展示其形貌与组成。 c) SPS烧结过程中的升温-时间曲线。 d) PI、PAO及PAO/MoDTC@PI微胶囊的TGA曲线。 e) DBP、PAO、DBP@UF及PAO/MoDTC/DBP@UF微胶囊的TGA曲线。 f) PTFE@PMMA复合材料SPS制备过程示意图。

在摩擦性能测试中，复合材料表现出卓越的超润滑性能。与干摩擦或单纯油润滑相比，含MoDTC的微胶囊复合材料在短时间内进入超润滑状态，摩擦系数稳定在0.0045–0.0085之间，并持续维持超过18小时，滑动距离达430米以上。研究还发现，微胶囊中PAO/MoDTC与DBP的最佳质量比为1:1，微胶囊尺寸为4.4微米时润滑效果最佳。此外，复合材料磨损率低至2.84×10⁻⁶ mm³/N·m，比纯基体材料降低了两个数量级。

图2：嵌入微胶囊的PTFE@PMMA复合材料摩擦学性能评估。 a) 球-盘式摩擦试验示意图，上摩擦副为Si₃N₄球，下摩擦副为PTFE@PMMA块材，插图为微胶囊破裂过程。 b) 不同润滑条件下PTFE@PMMA复合材料的摩擦系数变化曲线。 c) 五种润滑条件下复合材料表面的磨损率。 d) 油-溶剂混合微胶囊复合材料的长时摩擦系数曲线，显示持续18小时的超润滑状态。 e) 不同PAO/MoDTC与DBP质量比下的摩擦系数。 f) 不同尺寸油-溶剂混合微胶囊的摩擦系数。 g) 不同含油微胶囊比例对分离功能微胶囊复合材料摩擦系数的影响。

表面形貌与摩擦后分析显示，复合材料表面具有亚微米级粗糙度，有助于形成点接触，减少机械互锁。摩擦过程中，MoDTC分解为MoS₂纳米片，并与PAO衍生的烃链共同构建了分层结构的摩擦膜。高分辨率透射电镜图像进一步揭示了该摩擦膜具有双层结构：靠近Si₃N₄球的一层富含MoS₂纳米片，上层则为碳氢链覆盖。这种有序的同质/异质界面结构，通过弱层间相互作用和滑动优化，实现了稳定的超润滑状态。

图3：表面形貌与摩擦后表征。 a) 纯PTFE@PMMA基体、含油-溶剂混合微胶囊及分离功能微胶囊复合材料的3D表面轮廓与粗糙度。 b) 磨损疤痕与磨损轨迹的SEM图像，展示不同复合材料在摩擦后的表面形貌。 c) 不同润滑条件下球面摩擦后的拉曼光谱。 d) 摩擦区域内外表面的XPS能谱（C 1s、O 1s、Mo 3d、S 2p）。

图4：含油-溶剂混合微胶囊的PTFE@PMMA复合材料摩擦界面处摩擦膜的截面HRTEM图像。 a) 摩擦区域截面HRTEM图像，显示分层薄膜结构。 b) 对应(a)区域的EDS元素分布图（叠加图、C、F、S、Mo、N元素）。 c) 摩擦膜整体视图的TEM图像。 d) 结构界面演变TEM图像。 e,f) 局部摩擦膜纳米结构。 g,h) MoS₂纳米片的局部分布。

图5：含油-溶剂混合微胶囊的PTFE@PMMA复合材料与Si₃N₄球滑动界面处的超润滑机制示意图。 图示摩擦诱导MoDTC分解、MoS₂纳米片自取向及烃链覆盖过程，构建分层润滑界面。

除了卓越的润滑性能，该复合材料还展现出优异的自修复能力。当表面被划伤至30微米深度时，微胶囊释放的DBP修复剂在80°C加热条件下促使聚合物链迁移与缠结，2小时内划痕深度恢复至3微米，修复效率达87%。与其他自修复材料相比，该材料在保持超低摩擦的同时，实现了更高的修复效率，显示出在工业应用中作为耐用、自修复润滑材料的巨大潜力。

图6：含油-溶剂混合微胶囊聚合物复合材料的自修复行为。 a) 划痕形貌随时间变化图像。 b) 对应(a)的划痕深度剖面。 c) 自修复机制示意图。 d) 采用不同修复策略的双功能聚合物复合材料在摩擦系数与修复效率方面的对比。

综上所述，这项研究通过油-溶剂混合微胶囊的巧妙设计，成功在聚合物复合材料中实现了宏观超润滑与自修复的双重功能。其协同润滑机制包括亚微米级表面粗糙度、分层摩擦膜的形成以及流体动压效应的共同作用。该突破不仅推动了智能复合材料表面超润滑技术的发展，也为工业运动部件的高性能与长寿命运行提供了新的材料解决方案。