隨著航空航天及精密智能裝備向更高載荷、更高溫度和更長服役壽命方向發展，摩擦副在極端工況下產生的摩擦熱已成為制約聚合物基自潤滑材料應用的核心問題之一。受限于聚合物材料固有的低導熱特性，摩擦過程中產生的熱量難以及時疏導，易在界面及材料內部形成局部熱積累，從而引發材料軟化、界面粘附和潤滑狀態失穩等一系列連鎖失效。相比單純降低摩擦系數，如何有效管理和疏導摩擦熱，已成為聚合物基自潤滑軸承材料更為迫切的工程挑戰。
近日，西北工業大學先進潤滑與密封材料研究中心劉旭慶教授團隊，圍繞聚合物基材料“導熱差、易積熱”的長期瓶頸問題，提出了一種基于三維芳綸/聚四氟乙烯（3D-AF/PTFE）編織結構的自潤滑軸承襯墊材料設計策略。研究團隊通過在單寧酸活化的纖維表面原位生長并還原 Ag-MOF，在三維編織結構中構建了連續分布的銀-非晶碳（Ag-C）網絡，使襯墊材料在保持高承載能力的同時顯著提升了內部導熱與熱擴散能力，實現了摩擦過程中熱量疏導、結構穩定與潤滑性能的協同優化，推動潤滑材料從“被動減摩”向“摩擦熱可控”的方向演進。
2026年1月27日，相關研究成果以“Hierarchical Metal-Carbon Interphases for Energy-Coupled Multifunctional Fibre Composites”為題，發表在期刊Advanced Functional Materials上，西北工業大學材料學院博士生康敬玉為論文第一作者，西北工業大學材料學院劉旭慶教授為通訊作者，陜西元豐新材料李世雄高工為共同通訊作者。
圖1（a-f）用于自潤滑關節軸承Ag-C@AF/PTFE自潤滑復合材料制備過程示意圖；純PTFE纖維（a1）、經TA處理后的PTFE纖維（b1）、Ag-MOF@AF/PTFE（c1）和Ag-C@AF/PTFE織物（d1）的SEM圖像。
傳統局限：功能單一與能量管理失衡
常規潤滑復合材料以聚合物為基體，雖質輕易加工，但其本征的低導熱與絕緣特性，使其在高負荷或高速摩擦工況下面臨嚴峻挑戰。摩擦熱無法及時導出，易引發材料局部軟化、界面粘附失效乃至熱損傷。以往通過添加填料來改善導熱或潤滑性能的策略，常因填料分散不均、界面結合弱等問題，導致力學性能與功能屬性之間顧此失彼，難以實現協同增效。
圖2. Ag-C@AF/PTFE SEM圖像（a-c）和Ag-C雜化物的透射電子顯微鏡（TEM）圖像（d）；Ag-C雜化物的高分辨透射電子顯微鏡（HRTEM）圖像（e）、選區電子衍射（SAED）圖譜（f）和元素映射圖像（g-i）。
核心突破：構建多尺度能量耦合界面
本研究的關鍵，在于超越了單一功能的疊加思路，從能量傳遞與轉換的全新角度進行界面設計。研究團隊通過表面活化與原位合成，在纖維表面構建了多層次、三維連續的銀-非晶碳雜化界面網絡。這一結構在復合材料內部形成了貫通的多功能通道，實現了三大性能的同步提升：
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高效熱疏導：銀-碳網絡為聲子與電子提供了高速傳輸路徑，使材料厚度方向導熱率大幅提升約82%，有效避免了摩擦熱積聚導致的性能衰退。
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力學強化與應力耗散：該網絡同時作為強韌的機械橋梁，顯著改善了界面應力傳遞與耗散能力，層間剪切強度提升約28%，材料在摩擦中的整體性與耐久性得到增強。
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導電功能集成：材料獲得了顯著的導電性，為摩擦過程中的狀態監測、靜電耗散或未來可能的智能響應奠定了基礎。
圖3. 純織物和改性織物的FTIR（a-b）和XRD（c）；純織物、Ag-MOF@AF/PTFE織物和Ag-C@AF/PTFE織物的XPS（d）；Ag-C@AF/PTFE織物的Ag3d能譜（e）；（f）Ag-C@AF/PTFE織物的電阻率隨還原溫度的變化。（g）不同還原溫度下Ag-C@AF纖維的應力曲線；純AF/PTFE SLCs、Ag - MOF@AF/PTFE SLCs、Ag - C@AF/PTFE SLCs的熱導率（h）、層間剪切強度-應變曲線（i）。
圖4. 3D-AF/PTFE SLCs、Ag-MOF@AF/PTFE SLCs和Ag-C@AF/PTFE SLCs在室溫及100°C下的摩擦系數（a-f）和磨損率（g-i）。
三維編織架構：實現能量的有序引導
尤為重要的是，該策略在復雜的三維編織結構成功實現了功能網絡的均勻、連續構筑。這種多尺度交織結構，不僅強化了界面，更為摩擦能量規劃了疏導路徑，使得機械能、熱能得以沿預設網絡定向耗散與轉換，從而實現了從被動減摩到主動能量管理的跨越。
圖5. 3D-AF/PTFE SLCs（a，a1）、Ag-MOF@AF/PTFE SLCs（b，b1）、Ag-C@AF/PTFE SLCs（c，c1）在室溫下磨損表面的SEM。與3D-AF/PTFE SLCs（d，d1）、Ag-MOF@AF/PTFE SLCs（e，e1）、Ag-C@AF/PTFE SLCs（f，f1）對磨的配對鋼球摩擦膜的SEM以及相應EDS（d2-f2）。
圖6. Ag-C@AF/PTFE SLCs的摩擦配對鋼球上形成的摩擦膜的TEM-FIB (a)。摩擦膜的高倍圖像(b)。b中區域的HR-TEM (c)。SAED (d)。沿摩擦膜的EDS (f - g)。F、C、O、Ag、N元素EDS (e)。
圖7. Ag-C@AF/PTFE SLCs磨損機理示意圖。
應用前景：面向極端工況的下一代解決方案
這項研究為開發面向極端環境的高性能潤滑與耐磨自潤滑體系提供了全新思路。此類具備能量協同管理能力的三維編織復合材料，有望應用于：
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高速航空航天軸承、密封及傳動系統
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重載工業機器人關節與精密減速裝置
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對熱管理與可靠性有嚴苛要求的特種裝備
結語
潤滑科技的發展，正從追求單一的摩擦系數降低，演進為對摩擦全過程中能量流與物質流的系統調控。通過跨尺度界面設計與多維功能耦合，未來的材料將不僅是界面的保護層，更是實現能量智能疏導、狀態自感知與性能長壽命穩定的關鍵載體。該研究為破解聚合物基材料導熱不足這一長期難題提供了可工程化的解決方案，也為高可靠自潤滑軸承的設計與應用奠定了新的基礎。
以上研究工作得到了國家自然科學基金、陜西省科技創新團隊等項目的支持。
原文鏈接：Hierarchical Metal‐Carbon Interphases for Energy‐Coupled Multifunctional Fibre Composites - Kang - Advanced Functional Materials - Wiley Online Library
https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202530354
