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  聚醚醚酮（PEEK）廣泛應(yīng)用于輕量化結(jié)構(gòu)，但純PEEK自身潤(rùn)滑性差制約了其進(jìn)一步發(fā)展，而傳統(tǒng)添加聚四氟乙烯（PTFE）潤(rùn)滑劑的方法潤(rùn)滑效率低下，且過(guò)多的PTFE會(huì)導(dǎo)致材料力學(xué)性能的顯著衰退。因此，如何實(shí)現(xiàn)潤(rùn)滑相的可控分布與定向遷移，從而在摩擦界面構(gòu)建穩(wěn)定、有序的潤(rùn)滑層，已成為該領(lǐng)域面臨的重大挑戰(zhàn)。受人體軟骨“在應(yīng)力控制下釋放滑液”機(jī)制的啟發(fā)，巧妙地將二維材料MXene（Ti?C?T?）作為“調(diào)控器”，與PTFE潤(rùn)滑劑協(xié)同作用，成功制備出新一代PEEK基復(fù)合材料。

  近日，西北工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院杜乘風(fēng)副教授及其合作研究團(tuán)隊(duì)受人體關(guān)節(jié)軟骨“在應(yīng)力控制下釋放滑液”機(jī)制的啟發(fā)（圖1a），創(chuàng)新性地提出仿生設(shè)計(jì)策略，將MXene作為潤(rùn)滑相PTFE釋放和轉(zhuǎn)移的響應(yīng)調(diào)控器，實(shí)現(xiàn)PTFE的控制釋放。通過(guò)分步混合與熱壓燒結(jié)工藝，使MXene納米片與PTFE微粒優(yōu)先結(jié)合，再分布于PEEK基體之中，制備出一系列具有精確組成的PEEK/MXene/PTFE復(fù)合材料（圖1b）。這一材料制備策略確保了MXene與PTFE在基體中形成均勻分布的空間復(fù)合結(jié)構(gòu)，為后續(xù)的成分及性能調(diào)控奠定了基礎(chǔ)。摩擦學(xué)測(cè)試結(jié)果表明，MXene的引入顯著改變了材料的摩擦學(xué)行為。其中，含5 wt% MXene和10 wt% PTFE的復(fù)合材料表現(xiàn)出最優(yōu)異的綜合性能：摩擦系數(shù)降低至0.060，比未添加MXene的樣品降低了26.83%（圖2）；并且磨損率保持在10^-6 mm³/N·m量級(jí)。與已有報(bào)道的同類(lèi)型復(fù)合材料相比，該系列復(fù)合材料在潤(rùn)滑性能與抗磨性能方面均處于領(lǐng)先水平。在保障最佳摩擦學(xué)綜合性能的同時(shí)，MXene的添加也使材料的力學(xué)性能得到提升：抗壓強(qiáng)度增加11%，且工程應(yīng)變可增加一倍（圖3）。根據(jù)分子動(dòng)力學(xué)模擬（圖4），MXene通過(guò)與PTFE形成強(qiáng)界面相互作用，使剪切滑移面被限制在PTFE層的最頂部區(qū)域，實(shí)現(xiàn)了低能量的PTFE分子間滑移。這一過(guò)程可精確調(diào)控PTFE在摩擦時(shí)的轉(zhuǎn)移行為，從而顯著降低摩擦阻力和材料磨損。

  該工作以“MXene-Controlled PTFE Release for Ultra-Low Friction PEEK Composites“為題發(fā)表在國(guó)際知名期刊《Advanced Functional Materials》上。

圖1 具有精確組成的PEEK(MXene)-PTFE復(fù)合材料的設(shè)計(jì)策略及其潤(rùn)滑相控制釋放機(jī)制

圖2 PEEK(MXene)-PTFE復(fù)合材料摩擦學(xué)表征結(jié)果

圖3 PEEK(MXene)-PTFE復(fù)合材料力學(xué)表征結(jié)果

圖4 PEEK(MXene)-PTFE復(fù)合材料摩擦過(guò)程的分子動(dòng)力學(xué)模擬結(jié)果

  本研究通過(guò)仿生的界面設(shè)計(jì)理念將二維MXene作為調(diào)控單元引入PEEK和PTFE復(fù)合材料中，并通過(guò)分步混合-熱壓燒結(jié)工藝實(shí)現(xiàn)了復(fù)合材料在摩擦過(guò)程中的潤(rùn)滑劑可控釋放與轉(zhuǎn)移。所制備的PEEK復(fù)合材料兼具超低摩擦系數(shù)、低磨損率以及高機(jī)械強(qiáng)度，不再需要以犧牲力學(xué)性能為代價(jià)換取潤(rùn)滑性。該策略為高性能自潤(rùn)滑聚合物的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了一個(gè)全新的仿生調(diào)控維度。

  原文鏈接：http://doi.org/10.1002/adfm.202520137