科研進(jìn)展
蘭州化物所各向異性石墨烯氣凝膠/環(huán)氧樹脂（GA/EP）復(fù)合材料摩擦學(xué)性能研究獲新進(jìn)展
當(dāng)前，精密傳動(dòng)部件、機(jī)器人關(guān)節(jié)和微驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等智能裝備對(duì)界面各向異性摩擦功能提出了迫切需求。與金屬材料通過激光紋理或溝槽陣列等表面加工技術(shù)實(shí)現(xiàn)各向異性摩擦不同，在采用類似方法加工環(huán)氧樹脂（EP）基聚合物材料時(shí)存在熔融變形、快速磨損、耐久性差及可靠性不足等問題，難以實(shí)現(xiàn)各向異性摩擦功能。
基于此，中國(guó)科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所潤(rùn)滑材料全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室功能潤(rùn)滑材料課題組基于定向冷凍鑄造與真空浸漬協(xié)同技術(shù)開展各向異性石墨烯氣凝膠/環(huán)氧樹脂（GA/EP）復(fù)合材料的設(shè)計(jì)制備與摩擦學(xué)性能研究工作。
結(jié)果表明，GA/EP復(fù)合材料的熱傳導(dǎo)、力學(xué)和摩擦學(xué)性能均與氣凝膠的微觀取向高度相關(guān)（圖1）。GA/EP復(fù)合材料頂部（T）接觸界面具有高度取向的三維導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)出高彈性模量和最優(yōu)潤(rùn)滑性能（摩擦系數(shù)低至0.06）；平行石墨烯冰晶生長(zhǎng)的橫向方向（LA）在滑動(dòng)過程中摩擦應(yīng)力穩(wěn)定在20-40 atm，形成連續(xù)潤(rùn)滑界面，摩擦系數(shù)穩(wěn)定在0.09；在垂直的徑向方向（LR）上，連續(xù)滑動(dòng)破壞了石墨烯片的取向，導(dǎo)致摩擦界面無序化，摩擦應(yīng)力驟增至50,000-100,000 atm，摩擦系數(shù)急劇升高，與LA方向差異達(dá)226%，并引發(fā)石墨烯片遷移和EP分子鏈斷裂，導(dǎo)致磨損加劇。分子動(dòng)力學(xué)模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合，證實(shí)LA方向的定向石墨烯片通過減少GA/EP與滑塊間的相互作用能，形成剪切友好界面；而LR方向因石墨烯片排列被破壞，界面阻力激增。這種通過內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的摩擦各向異性EP復(fù)合材料在機(jī)器人機(jī)械臂抓取-傳遞-釋放系列操作、精密傳動(dòng)等應(yīng)用場(chǎng)合具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，可滿足對(duì)動(dòng)態(tài)摩擦系數(shù)的差異化需求，推動(dòng)精密裝備向自適應(yīng)、長(zhǎng)壽命和智能化方向的快速發(fā)展。
該研究工作以“Frictional anisotropy behavior of graphene oxide aerogel/epoxy composite and its friction mechanism exploration”為題發(fā)表于Composites Part B（2026, 311: 113191）上，博士研究生高煌為論文第一作者，楊亞文助理研究員和王金清研究員為共同通訊作者。
上述研究工作得到了中國(guó)科學(xué)院基礎(chǔ)與交叉前沿科研先導(dǎo)專項(xiàng)、國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目以及蘭州化物所潤(rùn)滑材料全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的支持。
圖1. 各向異性GA/EP復(fù)合材料的制備、摩擦學(xué)性能與界面潤(rùn)滑機(jī)制研究
