随着运输和工业活动频繁增加,严重加剧运动机构摩擦和磨损,从而对机械部件可靠性和使用寿命提出了巨大挑战。通常人们使用液体或固体润滑剂减少运动机构的摩擦磨损,降低能量消耗和延长部件的使用寿命。摩擦界面的液体润滑剂流体膜和生成的边界反应膜可避免或减轻摩擦副的直接接触,从而起到润滑作用。通常液体润滑剂中的添加剂含有害元素,它们的排放会对环境造成不利影响。采用物理和化学气相沉积技术在工件表面制备固体润滑剂薄膜,同样可显著改善机构的摩擦磨损性能。随着固体润滑薄膜的磨损,最终将失去润滑作用。开发耐用的自润滑运动机构是非常可取的,可避免维护和不利的环境影响。聚合物复合材料因具有自润滑特性、可设计性强等优异性能,广泛应用于航空航天、石油化工等运动部件,如轴承、衬套密封和垫圈。前人研究表明在聚合物基体中加入纳米颗粒可显著提高聚合物及其复合材料的摩擦学性能,认为其自润滑性能与摩擦保护膜的生长有关,摩擦保护膜能够保证摩擦副界面的易剪切性和持久磨损寿命。然而在某些场合下,为了减少环境污染,避免添加任何添加剂到摩擦副界面以降低机构的摩擦磨损。因此,通过纳米颗粒填充物的优化设计与合理耦合,可望在苛刻干摩擦条件下构筑摩擦学性能优异的固体转移膜。揭示纳米颗粒物化性质对转移膜结构与性能的影响机制及不同纳米颗粒的协同机制是实现摩擦膜润滑功能设计的关键。本工作围绕“深入研究转移膜形成机理-调控转移膜结构-设计制备新型自润滑材料”的主线,针对重载高速干摩擦服役工况,考察增强相、填料和纳米颗粒对传统聚合物复合材料摩擦学性能影响规律,优化设计转移膜纳米结构;在聚合物中引入管状MWCNTs调控摩擦副界面摩擦化学物理,构筑高性能固体转移膜。通过耦合硬质纳米颗粒和MWCNTs促进高性能转移膜在干摩擦界面迅速生成,获得极低的摩擦和磨损。主要研究内容与结论如下:(1)研究了在苛刻干摩擦条件下不同性质纳米颗粒对聚合物复合材料摩擦学行为的影响。探索了不同纳米颗粒对转移膜的结构和性能影响机制和演变机理。复合材料中纳米Si O2、纳米Al2O3和纳米Zr O2颗粒在摩擦界面上与其他磨损物质烧结为致密的转移膜,既降低了复合材料的跑和时间,又提高了摩擦界面的承载力。不同硬质纳米颗粒对改善复合材料摩擦学性能均具有显著作用,大幅度降低摩擦系数和磨损率。研究结果表明,当聚合物纳米复合材料在钢表面滑动时,钢表面形成一层具有润滑特性和高粘附性的转移膜,延缓或阻止摩擦副间的直接刮擦。聚合物纳米复合材料中的纳米颗粒释放到摩擦界面上与其他磨损颗粒均匀混合后,摩擦烧结生成致密的和功能化的固体转移膜。硬质纳米颗粒提高了转移膜的承载力。我们的工作证明了将纳米颗粒填充到传统聚合物复合材料中来调整摩擦界面转移膜的纳米结构和功能的可行性,为开发新型极高耐磨性自润滑材料提供策略。(2)重点考察了MWCNTs对聚合物复合材料摩擦学性能的影响,通过引入3 vol.%MWCNTs到聚合物复合材料中,其磨损率降低了80%。我们采用第一性原理(DFM)计算表明,空气环境中的O原子或离子可破坏CNTs的C-C骨架,促进CNTs转化为石墨化纳米碳。这为转移膜中嵌入了大量石石墨化纳米碳提供了直接证据。石墨化纳米碳嵌入到转移膜内明显增强其韧性和弹性,能够经受住严厉的界面摩擦(重载高速),同时MWCNTs的引入大幅度降低了复合材料磨损率。(3)在重载高速干摩擦服役工况下,研究了MWCNTs与纳米Zr O2杂化耦合物对聚合物复合材料摩擦学行为的影响。纳米颗粒与MWCNTs杂化耦合对摩擦界面固体转移膜形成和结构的影响机理。3 vol.%纳米颗粒Zr O2与MWCNTs杂化耦合协同可显著降低聚合物复合材料摩擦系数和磨损率,分别降低了72%和89%。研究发现,纳米颗粒和MWCNTs嵌入到摩擦界面的固体转移膜中,显著提高了转移膜的易剪切性和高韧性。同时,纳米颗粒Zr O2释放到摩擦界面与金属对偶表面形成了化学螯合物,固体转移膜中烧结的纳米颗粒Zr O2在摩擦过程中可承载大部分载荷;MWCNTs受到环境中氧原子或离子的作用在摩擦界面上形成石墨化纳米碳,石墨化纳米碳嵌入到固体转移膜中,从而增强了摩擦副界面的易剪切性和高韧性;生长的高性能固体转移膜可显著地降低了复合材料的摩擦(0.08)和磨损(4.5×10-8 mm3/Nm),高于以往我们认知的聚合物复合材料。