科研進(jìn)展
蘭州化物所高承載長壽命聚合物水潤滑材料研究獲重要進(jìn)展
聚合物水潤滑材料在工程和醫(yī)療領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，服役過程中機(jī)械變形、失水及潤滑介質(zhì)中力學(xué)失穩(wěn)等問題突出，高承載和長效潤滑減摩統(tǒng)一頗具挑戰(zhàn)。
中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所潤滑材料全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室周峰研究員和麻拴紅研究員團(tuán)隊(duì)，受自然界蚯蚓持續(xù)潤滑機(jī)制啟發(fā)，開發(fā)了一種基于微量潤滑劑的聚合物凝膠超潤滑材料。
研究人員通過結(jié)合表面可控化學(xué)刻蝕、原位褶皺化、激光微加工以及平衡溶脹閉孔等策略，實(shí)現(xiàn)了仿生多級(jí)結(jié)構(gòu)化超潤滑聚合物凝膠材料的制備。該材料能夠在高接觸壓力工況下(P: 11.32 MPa)展現(xiàn)出超低摩擦系數(shù)（COF:~0.0079)、穩(wěn)定持久的超潤滑壽命(COF:~0.0028,P:8.48 MPa,100k cycles)（圖1），且無表面磨損，這是迄今為止聚合物凝膠基超潤滑材料在宏觀尺度所報(bào)道的最高承載能力。特別是，在準(zhǔn)濕態(tài)測(cè)試工況下，該材料能夠在有限潤滑劑 (5 μL)供給下，實(shí)現(xiàn)可觀的持續(xù)潤滑 (周期:3700 cycles)。
圖1. 仿生多級(jí)結(jié)構(gòu)化超潤滑聚合物凝膠材料設(shè)計(jì)與性能評(píng)價(jià)
研究表明其堅(jiān)固/持久的超潤滑行為主要?dú)w因于滑動(dòng)界面水合效應(yīng)、靜電排斥、潤滑層/承載相的力學(xué)匹配以及摩擦過程中潤滑劑的自泵送特征。研究人員通過自主搭建載荷摩擦機(jī)械驅(qū)動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，直觀展示了該材料機(jī)械堅(jiān)固與持續(xù)可靠的超潤滑行為。該研究為研制水基超潤滑運(yùn)動(dòng)部件和醫(yī)療設(shè)備提供了理論指導(dǎo)。相關(guān)研究成果以“Earthworm inspired lubricant self-pumping hydrogel with sustained lubricity at high loading”為題發(fā)表在Nature出版社旗下期刊Nature Communications（2025,16:398）上。
在解決聚合物凝膠材料超高承載和機(jī)械魯棒性超潤滑難點(diǎn)基礎(chǔ)之上，研究人員將關(guān)注點(diǎn)轉(zhuǎn)移到解決材料在苛刻鹽離子介質(zhì)中的長效力學(xué)穩(wěn)定性難題。盡管已報(bào)道的大多數(shù)聚合物凝膠材料能夠?qū)崿F(xiàn)優(yōu)異的承載與減摩功能，但其在復(fù)雜離子介質(zhì)中普遍存在溶脹和力學(xué)失效問題，摩擦學(xué)評(píng)價(jià)往往以去離子水為潤滑介質(zhì)，這明顯與聚合物材料的實(shí)際應(yīng)用工況不符（海水或生理介質(zhì)），使得相關(guān)材料的開發(fā)僅僅停留在概念和模型水平。
圖2. 抗溶脹超潤滑聚合物凝膠涂層設(shè)計(jì)與鈦合金表面制造
近日，針對(duì)傳統(tǒng)高分子凝膠材料鹽析力學(xué)強(qiáng)化策略中的關(guān)鍵缺點(diǎn)，即鹽析結(jié)晶區(qū)域在離子溶液中發(fā)生可逆解析，使得力學(xué)失穩(wěn)。研究人員以聚乙烯醇（PVA）為原材料，通過退火結(jié)合靜電交聯(lián)晶域-原位鹽析、表面水合與網(wǎng)絡(luò)互穿-基底限域的摩擦裂紋鈍化策略，制造出具有超強(qiáng)抗溶脹性和機(jī)械魯棒性的聚合物超潤滑凝膠材料（圖2）。得益于網(wǎng)絡(luò)內(nèi)靜電交聯(lián)穩(wěn)定的結(jié)晶域，制備的聚合物凝膠材料顯示出超高的疲勞閾值（843.0 J/m2）；在磷酸鹽緩沖溶液中浸泡460天后質(zhì)量溶脹率極低（小于2%）、力學(xué)穩(wěn)定性超強(qiáng)；在高接觸應(yīng)力（2.8 MPa）下經(jīng)過100k次滑動(dòng)摩擦循環(huán)后，摩擦系數(shù)仍保持極低水平（~0.0084）。特別是，在使用微米級(jí)別粗糙度的不銹鋼對(duì)偶摩擦過程中，聚合物凝膠材料仍然展現(xiàn)出了優(yōu)異的減摩和抗磨性能。主要原因是表面水合潤滑機(jī)制和網(wǎng)絡(luò)互穿層的應(yīng)力離域效應(yīng)能夠有效降低接觸面剪切應(yīng)力，基底交聯(lián)的結(jié)晶區(qū)承載的同時(shí)也能夠鈍化裂紋，進(jìn)一步抑制基底層摩擦裂紋擴(kuò)展，從而確保材料超長的服役周期。動(dòng)物植入試驗(yàn)表明，該聚合物凝膠材料具有優(yōu)異的生物安全性，可作為堅(jiān)固的水潤滑涂層成功制造在不同材質(zhì)關(guān)節(jié)器械（例如鈦合金、不銹鋼）表面，實(shí)現(xiàn)高效的潤滑減摩改性，為新一代自潤滑器械的研制提供重要材料保障。相關(guān)研究成果于2025年7月24日以“Superior Anti-swelling and Durably Lubricious Bio-hydrogels via Robust Crystalline Domains Construction for Diverse Biodevice Coating”為題發(fā)表在Cell出版社旗下期刊Matter上。
以上研究工作得到了中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)專項(xiàng)（B類）、國家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的資助，以及南昌大學(xué)、解放軍總醫(yī)院等單位的合作幫助。
