Synergistic Friction and Wear Reduction in CuSn10-Modified Basalt Fiber-Reinforced Epoxy Composites via Protic Ionic Liquid and Graphene Nanolubrication
本研究表明，将 CuSn10 青铜改性的玄武岩纤维增强环氧树脂复合材料与石墨烯分散型质子离子液体纳米润滑剂相结合，可显著降低摩擦和磨损，其中石墨烯增强的柠檬酸根质子离子液体表现出最优性能，且青铜填料提供了显著的干滑动耐久性。
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在机器的世界里，两个表面不断地相互摩擦，从汽车发动机中的齿轮到重型门上的铰链。这种摩擦会产生摩擦力，将能量以热能的形式浪费掉，并产生磨损，缓慢地磨损材料直至其失效。几十年来，工程师们一直在寻找让这些相互作用更平滑、更持久的方法，通常是通过添加特殊的润滑剂或增强材料本身。一类极具前景的材料涉及复合材料，它们通过将强韧的纤维编织进粘性树脂中，从而创造出比单纯金属更轻、更强的物质。然而，这些纤维增强塑料本身仍可能显得粗糙，在与钢材滑动时磨损得很快。为了解决这个问题，研究人员正在探索一种双重方法：改变材料本身使其更耐用，并添加先进的液体润滑剂，在运动部件之间形成一层保护屏障。
来自罗马尼亚和西班牙大学的一个研究小组最近研究了如何让一种特定的玄武岩纤维增强复合材料在滑动条件下寿命更长。玄武岩纤维源自火山岩，以强韧和耐热著称，但将它们结合在一起的环氧树脂在抗磨损方面并不十分强韧。科学家们测试了两种版本的这种材料：一种纯粹由纤维和树脂组成，另一种在树脂中加入了青铜粉混合物。随后，他们让这些材料在恒定压力下与一个钢球进行滑动测试，测试了两种场景：首先是没有任何润滑剂的情况，其次是使用四种不同类型的专门液体润滑剂。这些润滑剂基于质子型离子液体，这是一种在室温下保持液态的盐，以能在表面形成薄且稳定的薄膜而闻名。其中两种液体以纯形式使用，另外两种则混合了微小的石墨烯片（一种超薄碳材料），以观察这种组合是否效果更好。
结果显示，润滑剂发挥了巨大的作用。当材料在没有液体的情况下滑动时，摩擦力很高，且表面磨损相对较快。然而，一旦研究人员施加了离子液体润滑剂，摩擦力便大幅下降，在许多情况下下降了超过90%。在液体中添加石墨烯使表面更加光滑，并帮助材料几乎立即进入稳定的滑动状态，消除了此类测试中常见的粗糙初始阶段。最有效的组合是特定的柠檬酸盐类液体混合少量石墨烯，它将磨损率降低到了比干燥、未改良材料低近两个数量级的水平。
或许最令人惊讶的发现是青铜粉如何改变了局面。即使没有任何液体润滑剂，含有青铜颗粒的复合材料磨损也比纯版本要小得多。青铜起到了隐藏支撑系统的作用；坚硬的金属颗粒承担了部分重任，保护了较为脆弱的玄武岩纤维免受与钢球直接接触。这意味着，即使在干条件下，青铜增强型材料的表现已经很出色，而当研究人员加入石墨烯增强型润滑剂时，这种保护变得异常强大。青铜颗粒和石墨烯液体膜协同工作，创造了一个极具抗损伤能力的混合层。
研究人员使用了强大的统计工具来准确理解是什么驱动了这些改进。他们发现，对于摩擦力而言，所使用的液体类型是最重要的因素，贡献了绝大部分的改善。材料本身对于表面的润滑程度影响较小。然而，对于耐磨性，情况则有所不同。材料的类型发挥了巨大作用，其贡献几乎与润滑剂一样多。这证实了青铜颗粒在不依赖于液体的情况下，独立地起到了防止材料被磨损的作用。研究还表明，青铜颗粒并非只是静止在那里；在滑动过程中，它们会略微涂抹在表面上，与润滑剂混合，形成一层覆盖了纤维和树脂的保护盾。
这项工作为制造更耐用的机器指明了清晰的路径。如果机器部件无法定期润滑，向材料中添加青铜粉可以显著延长其寿命。如果可以进行润型，在那种青铜增强型材料之上使用石墨烯增强型离子液体，则能提供最佳的保护，大幅减少摩擦和磨损。研究人员指出，这些发现是针对他们测试的特定条件而言的，但使用承载金属填料结合石墨烯基液体润滑剂，似乎是让纤维增强复合材料在现实应用（如衬套、导轨或对重量和耐用性要求极高的轻量化轴承）中寿命更长的有力策略。
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