基于超支化聚硅氧烷的软硬纳米材料共同增强的具有优良韧性、高耐磨度和自润滑的环氧树脂复合材料

环氧树脂（EP）具有良好的机械强度、优良的附着力、化学惰性和易于加工等特点，在建筑、电子和航空航天等领域得到广泛应用，但其抗冲击和耐久性较差，在要求严格的技术系统，特别是用于高压柱塞系统中的滑动部件受到限制。一般来说，添加固态润滑剂是控制复合材料摩擦性能的关键，而弱的界面往往需要通过表面改性加以解决。即便如此，材料的机械强度仍不能满足严格条件下的使用要求。同时，基体的强度较差也会缩短材料的耐磨性，在很多情况下造成过早的磨损故障。

大多数二维层状纳米材料（石墨烯、硫化钼、氮化硼）在构建自润滑纳米复合材料方面表现出优良的润滑性和纳米力学性能。其中，石墨烯以其表面积大、韧性高、易于剪切等优异性能而备受关注，它能显著降低高分子材料的摩擦系数。得益于类似的层状结构，石墨烯可通过溶剂热法原位生长或经球磨机械化学插层与类石墨烯2D纳米结构很好的结合，这丰富了杂化纳米复合材料的种类（如rGO/MoS2, rGO/WS2等）。然而，其通常取决于纳米颗粒的尺寸、树脂基质内较强的界面强度。因此，一般需要做进一步的表面处理才能获得更好的整体性能。此外，在许多情况下，添加单组份难以达到令人满意的冲击韧性。

超支化聚硅氧烷（HBPSi）由于其柔韧的Si-O分子结构而引起了越来越多的关注。但关于HBPSi摩擦学用途的报道还很少。HBPSi结合了超支化结构和Si-O段的优点，能够显著地协调聚合物链的刚柔性质。HBPSi独特的支链结构和丰富的官能端基使其能够与交联网络互穿，且能与其反应形成有利于吸收冲击能的连锁网络。更重要的是，由于HBPSi分子骨架上存在的Si-O键比C-O键的键角更大、键长更长，相对于其它碳基聚合物，它是一种柔软的材料。众所周知，硅基化合物已在现实生活润滑方面得到应用，如润滑脂、含硅洗发水等。利用HBPSi超支化分子结构构建自润滑复合材料，在减少聚合物基质摩擦磨损方面具有潜在的应用前景。一般来说，润滑和抗磨损性能都依赖于基体的强度，这可保证生成耐久的转移膜和高负荷容忍能力。HBPSi不仅可增强和增韧热固性聚合物，还可以通过树状结构传递摩擦力和微切削力来缓解摩擦振动。

西北工业大学的颜红侠团队利用软硬组分的协同作用，构建了具有优良韧性和强度、耐磨性高、摩擦系数低的环氧纳米复合材料。通过优化，材料的摩擦系数和体积磨损率分别降低61.9%和70.6%，抗弯强度达到154.6MPa，冲击强度达到37.4kJ·m-2，均优于大多数同类材料。此外，作者还从两个方面总结了“软”和“硬”纳米材料的摩擦机理和纳米增强机理。其一是HBPS-V不仅具有较强的强化和增韧效果，同时其分支结构中的柔性Si-O单元能够显著缓解摩擦振动，并通过其树枝状链传递摩擦力。最重要的是，材料中掺入HBPSi-V，会影响rGO-MoS2的分布和纳米结构的界面，由于其具有超低的表面能和功能终端，可通过良好的耦合能力实现原位界面增强。在摩擦情况下，rGO-MoS2作为优异的固体润滑剂和纳米增强填料发挥作用，形成持久的自润滑传递膜，且其强界面可防止“大块脱落”以支持高承载能力。鉴于“软”和“硬”的协同作用，该研究为设计高性能聚合物摩擦材料提供了一种有效的方法。

图1. HBPSi-V的合成路线

图2. 制备环氧纳米复合材料的示意图

文献来源：Yuanbo Zhang, Kaiming Yang, Rui Liu, Junyan Yao* , Hongxia Yan*. Chemical Engineering Journal 2023, 460, 141773.