西北工业大学 App. Surf. Sci.|层状双氢氧化物在自润滑碳纤维增强PEEK-PTFE复合材料中的多功能作用

文献分享|层状双氢氧化物在自润滑碳纤维增强PEEK-PTFE复合材料中的多功能作用

DOI：10.1016/j.apsusc.2025.165720

通讯作者：杜乘风教授

研究背景

碳纤维增强的聚醚醚酮复合材料在替代钢结构材料方面显示出巨大潜力，但在运动部件中，碳纤维与PEEK之间不牢固的界面连接通常会导致较差的摩擦学性能。为了提升PEEK的润滑性能，常将其与聚四氟乙烯共混，但PTFE的低剪切强度和高磨损率会损害复合材料的整体机械性能。近期研究表明，加入Ti₃C₂Tₓ MXene可以促进PTFE润滑膜的形成。然而，PEEK-PTFE(Ti₃C₂Tₓ)复合材料的力学性能仍不尽如人意，因此需要通过改性碳纤维等方式进一步强化复合材料。

创新点

该研究通过水热法在碳纤维表面生长钴基层状双氢氧化物，并将其与PEEK-PTFE(Ti₃C₂Tₓ)基体复合，成功制备了PEEK(CF)-PTFE(Ti₃C₂Tₓ)复合材料。Co-LDHs在该复合材料体系中通过机械互锁和化学键合增强了碳纤维与PEEK基体之间的界面结合，从而显著提升了复合材料的力学性能；同时，Co-LDHs通过抛光效应、锚定效应以及与Ti₃C₂Tₓ和PTFE的协同效应，共同优化了复合材料的摩擦学性能，实现了高强度与优异自润滑/抗磨损性能的协同优化。

图文速览

图1 PEEK(CF)-PTFE(Ti₃C₂Tₓ) 复合材料的合成路线示意图

图2 (a) 改性碳纤维的XRD和(b)拉曼光谱，(c) FTIR光谱。 (d-f) 碳纤维的SEM形貌：(d) 1:100, (e) 2:100, (f) 4:100。 (g) 4:100碳纤维的HRTEM图像，(h) HAADF图像及EDS元素分布图

图3 (a) CF-LDH(1:100) 的XPS全谱，(b-d) CF-LDH 中元素的高分辨XPS谱图：(b) C 1s, (c) O 1s, (d) Co 2p.

图4 (a-c) 含不同含量Co-LDHs纳米片改性碳纤维复合材料的XRD图谱：(a) 1:100, (b) 2:100, (c) 4:100。 (d) 复合材料显微硬度，(e) 压缩强度，(f) 压缩模量

图5 (a-e) 五种复合材料断口形貌的低倍SEM图像及其宏观断口照片（插图）：(a) 0–0, (b) 10–0, (c) 10–1, (d) 20–0, (e) 20–1。 (f-j) 复合材料断口形貌的高倍SEM图像：(f) 0–0, (g) 10–0, (h) 10–1, (i) 20–0, (j) 20–1。 (k-m) 断口表面暴露碳纤维边缘与表面的放大图像：(k) 0–0, (l) 20–0, (m) 20–1

图6 (a-c) 不同碳纤维含量复合材料的典型摩擦系数-时间曲线：(a) 5-y, (b) 10-y, (c) 20-y。 (d-f) 不同碳纤维含量复合材料磨损轨迹横截面轮廓图：(d) 5-y, (e) 10-y, (f) 20-y。 (g) 复合材料平均摩擦系数汇总，(h) 复合材料平均磨损率汇总

图8 (a-e) 复合材料磨损轨迹区域的SEM图像：(a) 0–0, (b) 10–0, (c) 10–1, (d) 20–0, (e) 20–1。 (f-j) 复合材料磨损轨迹末端区域的EDS元素分析：(f) 0–0, (g) 10–0, (h) 10–1, (i) 20–0, (j) 20–1

图8 (a) 0–0, (b) 10–0, (c) 10–1 复合材料磨损表面的SEM图像。 (d-e) (d) 20–0 与 (e) 20–1 复合材料的SEM图像及EDS元素分布图

图9 复合材料中 Co-LDHs 的减摩抗磨机理示意图