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武汉材料保护所 CEJ|形貌调控的二硫化钼/多壁碳纳米管杂化材料提升PEEK复合材料的摩擦学与力学性能

2026-08-20 18:19:57

文献分享|形貌调控的二硫化钼/多壁碳纳米管杂化材料提升PEEK复合材料的摩擦学与力学性能

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DOI：10.1016/j.cej.2025.166758

通讯作者：段海涛研究员

研究背景

聚醚醚酮（PEEK）作为一种高性能工程塑料，因其优异的热稳定性、机械强度及耐化学腐蚀性，在航空航天、海洋工程等极端环境中具有广泛应用潜力。然而，在高温、高载荷及腐蚀性介质耦合的苛刻工况下，纯PEEK的摩擦学性能磨损率高、润滑保持能力不足和机械强度仍存在显著局限，难以满足长期高负载运行需求。传统改性方法（如添加零维颗粒、一维纤维或二维片层材料）虽能部分提升性能，但常面临填料分散不均、摩擦学与力学性能难以协同优化等问题。尤其对于二维层状材料（如MoS₂）与碳纳米管（CNTs）的杂化体系，其形貌调控对PEEK复合材料性能的协同增强机制尚不明确，特别是MoS₂纳米管与多壁碳纳米管（MWCNTs）的相互作用及其在极端环境下的润滑-承载平衡机制仍需深入探索。

创新点

该研究通过一步水热法精准调控二硫化钼（MoS₂）的形貌（纳米花与纳米管），并将其与多壁碳纳米管（MWCNTs）复合构建异质结杂化材料（MoS₂/MWCNTs），并系统对比了MoS₂纳米花（MMWP系列）与纳米管（MMT系列）两种形貌杂化材料对PEEK性能的差异化影响，发现MoS₂纳米管/MWCNTs杂化材料（MMT-5）在三维网络结构、热传导路径及界面协同效应方面表现尤为突出。其在干摩擦条件下摩擦系数降低23.73%，磨损率下降88.95%；在无水乙醇环境中更实现超低摩擦系数和磨损率，归因于乙醇介导的润滑机制与石墨化转移膜的共同作用。

图文速览

图1 (a) 二硫化钼纳米花/多壁碳纳米管异质结纳米复合材料合成机理与步骤示意图；(b) 多壁碳纳米管异质结纳米复合材料示意图；(c) 热压成型工艺示意图；(d) 摩擦副材料规格及摩擦学测试方法示意图

图2 (a, b) 二硫化钼纳米花、(c, d) 空心二硫化钼纳米管、(e, f) 二硫化钼纳米花/多壁碳纳米管异质结纳米复合材料（MW-7）、(h, i) 空心二硫化钼纳米管/多壁碳纳米管异质结纳米复合材料（MT-5）的扫描电镜图像；(g) 二硫化钼纳米花/多壁碳纳米管异质结纳米复合材料（MW-7）、(j) 空心二硫化钼纳米管/多壁碳纳米管异质结纳米复合材料（MT-5）的能谱分析图

图3 (a) 多壁碳纳米管、二硫化钼纳米花、二硫化钼纳米管、二硫化钼纳米花/多壁碳纳米管异质结纳米复合材料（MW-7）、二硫化钼纳米管/多壁碳纳米管异质结纳米复合材料（MT-5）的XRD图谱；(b) 根据图3(a)所示XRD图谱提取的参数；(c) 多壁碳纳米管、二硫化钼纳米花、二硫化钼纳米管、MW-7、MT-5的拉曼光谱；(d) PEEK、MP2.00、MMWP-7、MMT-5的DTG曲线；(e) PEEK、MP2.00、MMWP-7、MMT-5的TG曲线；(f) PEEK、MP2.00、MMWP-7、MMT-5的DSC曲线

图4 二硫化钼纳米花/多壁碳纳米管杂化材料改性聚醚醚酮复合材料摩擦学与力学性能演变规律。(a)、(b) 摩擦系数随时间变化曲线；(c) 聚醚醚酮复合材料平均摩擦系数；(d) 磨损轨迹轮廓曲线；(e) 聚醚醚酮复合材料磨损率与磨损体积；(f) 聚醚醚酮复合材料压缩强度与表面硬度

图5 与PEEK、MMWP-4、MMWP-7及MP2.00材料分别进行摩擦学配副测试后，GCr15材料磨损表面的三维形貌（a, b, c, d）、扫描电镜图像（a1, b1, c1, d1）及光学显微镜图像（a2, b2, c2, d2）；区域#1、#2、#3的拉曼光谱分别与试样上b2、c2、d2标注区域一一对应。

图6 与PEEK（a-a₂）、MP2.00（b-b₂）及MMWP-7（c-c₅）材料进行摩擦测试后，GCr15材料磨损表面的X射线光电子能谱（XPS）图谱

图7 PEEK (a, a₁)、MMWP-4 (b, b₁)、MMWP-7 (c, c₁) 及 MP2.00 (d, d₁) 材料的断裂及磨损表面扫描电镜图像。MMWP-7 材料在摩擦过程中产生磨屑的扫描电镜面扫描与能谱分析数据 (e, e₁)

图8 二硫化钼纳米管/多壁碳纳米管杂化材料改性聚醚醚酮复合材料摩擦学与力学性能演变规律。(a) 摩擦系数随时间变化曲线；(b) 聚醚醚酮复合材料平均摩擦系数；(c) 聚醚醚酮复合材料压缩强度与表面硬度；(d) 肖氏硬度值与其他研究的对比；(e) 磨损轨迹轮廓曲线；(f) 聚醚醚酮复合材料磨损率与磨损体积。