織物增強聚合物材料在航空航天、運輸和能源領域的輕質潤滑部件與功能裝置中扮演著重要角色。與其他復合材料一樣，它們的宏觀性能不僅由纖維或聚合物基體控制，還受到纖維-基體界面影響，出色的界面結合性能是其實現(xiàn)應力傳遞、抵御外部沖擊并實現(xiàn)高效潤滑的可靠保障。然而，對于芳綸等高性能有機纖維而言，高度取向、化學惰性的骨架和原子級光滑的表面導致其與傳統(tǒng)樹脂基體的化學鍵合與機械互鎖位點數(shù)量極少。在摩擦過程中的拉伸、沖擊和剪切作用下，糟糕的界面結合強度使得復合材料中纖維的過早脫落仍然是主要的破壞模式，這限制了織物增強聚合物材料的充分有效利用。因此，在纖維界面構建堅固耐用的納米級增強結構，實現(xiàn)出色的界面結合效果對于提高復合材料的性能表現(xiàn)至關重要。
本工作介紹了一種微溶脹誘導構建多氫鍵結構網(wǎng)絡的策略，在動態(tài)氫鍵作用下通過還原氧化石墨烯納米片和芳綸納米纖維在織物增強聚合物材料中協(xié)同構建三維、化學連續(xù)的納米界面，高效連接纖維骨架和周圍的樹脂。該集成架構在不損害固有纖維強度的情況下，提供了明顯的、多管齊下的性能提升。芳綸/聚四氟乙烯織物復合材料的抗拉強度提高71.9%，磨損體積和摩擦系數(shù)分別降低45.4%和31.5%。這種通過構建納米界面激活有機纖維化學惰性的策略展現(xiàn)出極具前景的可擴展特征，能夠廣泛適用于需要同時提高機械魯棒性和摩擦穩(wěn)定性的復合系統(tǒng)，進而為釋放先進纖維在下一代輕質耐磨復合材料結構中的潛力提供了一個多功能平臺。
相關研究成果以“Micro-Swelling-Induced Nanostructured Hydrogen-Bond Network (MiNaHN) Integrates Inert Aramid Fibers into High-Strength, Wear-Resistant Fabric Composites”為題發(fā)表在Advanced Functional Materials（2025, 10.1002/adfm.202518903）期刊。西北工業(yè)大學劉旭慶教授、郭瑞生副教授和中科院蘭化所張招柱研究員為共同通訊作者。
圖1. 動態(tài)氫鍵結構網(wǎng)絡原位構建機理示意圖
溫和、可控的微溶脹處理工藝部分解鎖芳綸表面的分子間氫鍵，暴露潛在的酰胺位點，后續(xù)它們作為裸露的氫鍵結合位點與表面接枝3-氨基-1,2,4-三唑的還原氧化石墨烯納米片在氫鍵驅動下實現(xiàn)自組裝。同時，芳綸納米纖維分散在酚醛樹脂基體中，其表面豐富的酰胺位點與酚醛樹脂同樣形成豐富的動態(tài)氫鍵。最終，兩者共同構建了一個通用的、可擴展的平臺，用于通過分子連續(xù)的納米界面激活化學惰性有機纖維。
圖2. 材料成分與動態(tài)氫鍵的分析表征
XRD、FTIR、XPS測試則從晶體結構、化學鍵合、官能團以及元素信息等方證實了ATA@rGO與芳綸纖維的成功結合。通過密度泛函理論計算定量得出的ATA和酰胺鍵之間的結合能為-0.7062 eV，進一步支撐了分子間氫鍵相互作用的存在。因此，實驗數(shù)據(jù)與理論計算共同證明ATA@rGO通過動態(tài)氫鍵相互作用在芳綸纖維表面成功實現(xiàn)原位自組裝。
圖3.氫鍵結構網(wǎng)絡增強織物基復合材料的力熱性能
多氫鍵結構網(wǎng)絡的構建顯著提升了聚合物復合材料的界面結合強度和熱力學性能。當樹脂基體處于應力下時，ANFs為應力傳遞提供了足夠的通道，使織物復合材料在相同的應變下承受更大的應力。織物表面的粗糙層次結構、豐富的動態(tài)氫鍵和酚醛樹脂內(nèi)的納米纖維增強結構對提高織物復合材料的力學性能有顯著影響。在熱力學方面，ATA@rGO和ANFs利用其形態(tài)優(yōu)勢與聚合物鏈形成物理纏結，顯著限制了大分子鏈的熱運動，延緩了高溫引起的分子鏈滑移和結晶區(qū)域的軟化。得益于織物復合材料內(nèi)織物的連續(xù)性，由ATA@rGO納米片在AF表面自組裝構建的連續(xù)導熱網(wǎng)絡也實現(xiàn)了貫穿整個結構的效果。氫鍵具有動態(tài)可逆性和對溫度和機械應力的響應性，使其能夠在外部刺激下發(fā)生可逆斷裂，從而耗散能量并顯著提高織物復合材料的動態(tài)力學性能。
圖4. 氫鍵結構網(wǎng)絡增強織物基復合材料的摩擦學性能
在摩擦過程中，摩擦副相對運動產(chǎn)生的剪切力作用在ATA@rGO納米片，誘導以層間滑動為特征的初始潤滑效應。同時，ANFs在樹脂基體的持續(xù)磨損過程中逐漸出現(xiàn)，憑借其超高縱橫比和出色的耐磨性有效捕獲磨損碎片，并在混合摩擦膜中充當骨架框架，從而增強摩擦膜的結構完整性和熱穩(wěn)定性。不僅如此，ATA@rGO和ANFs表面豐富的氫鍵位點通過獨特的動態(tài)斷裂/再生過程使其能夠持久地保持在磨損表面。
圖5.摩擦轉移膜形成過程與結構示意圖
最終，持續(xù)的摩擦運動會產(chǎn)生由ATA@rGO納米片、ANFs、PTFE碎片和樹脂碎片組成的致密連續(xù)摩擦膜。這種機制有效地減少了由劇烈摩擦運動引起的填料溢出，表現(xiàn)出更高的填料利用效率，并提高了摩擦膜的質量。優(yōu)異的粘附強度和穩(wěn)定性使摩擦膜在強烈的摩擦運動下保持結構完整性，從而有效地提高聚合物復合材料的摩擦學性能。
此研究工作得到國家自然科學基金、國家科技重大專項、國家“雙一流”建設基金和陜西省科技創(chuàng)新團隊的資助。
論文信息：
X. Ma, J. Kang, T. Zhang, et al. "Micro - swelling - Induced Nanostructured Hydrogen - Bond Network (MiNaHN) integrates Inert Aramid Fibers into High - Strength, Wear - Resistant Fabric Composites." Adv. Funct. Mater. (2025): e18903.
論文鏈接: https://doi.org/10.1002/adfm.202518903
作者簡介：
劉旭慶，西北工業(yè)大學教授，陜西省科技創(chuàng)新團隊帶頭人。長期從事高性能纖維和纖維增強復合潤滑材料研究工作。主持或參與國家973、863、2030重大、國家重點研發(fā)計劃、國家基金委青年基金和面上項目、英國EPSRC、歐盟地平線項目等。現(xiàn)擔任英國高等教育學會終身會士，英國皇家藝術學會會士，英國化學會會士，英國紡織學會會士，中國復合材料學會紡織復合材料分會常務理事。在Nature Communications，Advanced Materials等期刊發(fā)表學術論文150多篇，總引用7000余次，H-index為47。
郭瑞生，西北工業(yè)大學材料學院先進潤滑與密封材料研究中心，副教授/博導。主要從事材料表界面設計與加工的研究工作，聚焦抗磨、減摩/減阻、防腐涂層的設計與開發(fā)以及智能感知材料與技術。作為項目負責人承擔國家級、省部級及企業(yè)橫向等科研項目10余項。已在Nano-Micro Letters、Advanced Materials、Advanced Science、Advanced Functional Materials、ACS Applied Materials & Interfaces等刊物上發(fā)表SCI學術論文50余篇，授權/公開國家發(fā)明專利17件。
張招柱，中國科學院蘭州化學物理研究所研究員、博士研究生導師。長期從事新型摩擦學材料設計與制備研究工作，聚焦于復合材料的摩擦學、設計具有特殊潤濕行為的功能表面以及用于減阻的工程涂層等。現(xiàn)任固體潤滑國家重點實驗室復合潤滑材料課題組組長，擔任《摩擦學學報》編委，已發(fā)表了200多篇期刊論文，承擔多項國家自然科學基金、國防科研項目，并獲得多項省部級、國家級榮譽。
