随着航空航天及精密智能装备向更高载荷、更高温度和更长服役寿命方向发展，摩擦副在极端工况下产生的摩擦热已成为制约聚合物基自润滑材料应用的核心问题之一。受限于聚合物材料固有的低导热特性，摩擦过程中产生的热量难以及时疏导，易在界面及材料内部形成局部热积累，从而引发材料软化、界面粘附和润滑状态失稳等一系列连锁失效。相比单纯降低摩擦系数，如何有效管理和疏导摩擦热，已成为聚合物基自润滑轴承材料更为迫切的工程挑战。

  近日，西北工业大学先进润滑与密封材料研究中心刘旭庆教授团队，围绕聚合物基材料“导热差、易积热”的长期瓶颈问题，提出了一种基于三维芳纶/聚四氟乙烯（3D-AF/PTFE）编织结构的自润滑轴承衬垫材料设计策略。研究团队通过在单宁酸活化的纤维表面原位生长并还原 Ag-MOF，在三维编织结构中构建了连续分布的银-非晶碳（Ag-C）网络，使衬垫材料在保持高承载能力的同时显著提升了内部导热与热扩散能力，实现了摩擦过程中热量疏导、结构稳定与润滑性能的协同优化，推动润滑材料从“被动减摩”向“摩擦热可控”的方向演进。

  2026年1月27日，相关研究成果以“Hierarchical Metal-Carbon Interphases for Energy-Coupled Multifunctional Fibre Composites”为题，发表在期刊Advanced Functional Materials上，西北工业大学材料学院博士生康敬玉为论文第一作者，西北工业大学材料学院刘旭庆教授为通讯作者，陕西元丰新材料李世雄高工为共同通讯作者。

图1（a-f）用于自润滑关节轴承Ag-C@AF/PTFE自润滑复合材料制备过程示意图；纯PTFE纤维（a1）、经TA处理后的PTFE纤维（b1）、Ag-MOF@AF/PTFE（c1）和Ag-C@AF/PTFE织物（d1）的SEM图像。

传统局限：功能单一与能量管理失衡

  常规润滑复合材料以聚合物为基体，虽质轻易加工，但其本征的低导热与绝缘特性，使其在高负荷或高速摩擦工况下面临严峻挑战。摩擦热无法及时导出，易引发材料局部软化、界面粘附失效乃至热损伤。以往通过添加填料来改善导热或润滑性能的策略，常因填料分散不均、界面结合弱等问题，导致力学性能与功能属性之间顾此失彼，难以实现协同增效。

图2. Ag-C@AF/PTFE SEM图像（a-c）和Ag-C杂化物的透射电子显微镜（TEM）图像（d）；Ag-C杂化物的高分辨透射电子显微镜（HRTEM）图像（e）、选区电子衍射（SAED）图谱（f）和元素映射图像（g-i）。

核心突破：构建多尺度能量耦合界面

  本研究的关键，在于超越了单一功能的叠加思路，从能量传递与转换的全新角度进行界面设计。研究团队通过表面活化与原位合成，在纤维表面构建了多层次、三维连续的银-非晶碳杂化界面网络。这一结构在复合材料内部形成了贯通的多功能通道，实现了三大性能的同步提升：

• 高效热疏导：银-碳网络为声子与电子提供了高速传输路径，使材料厚度方向导热率大幅提升约82%，有效避免了摩擦热积聚导致的性能衰退。

• 力学强化与应力耗散：该网络同时作为强韧的机械桥梁，显著改善了界面应力传递与耗散能力，层间剪切强度提升约28%，材料在摩擦中的整体性与耐久性得到增强。

• 导电功能集成：材料获得了显著的导电性，为摩擦过程中的状态监测、静电耗散或未来可能的智能响应奠定了基础。

图3. 纯织物和改性织物的FTIR（a-b）和XRD（c）；纯织物、Ag-MOF@AF/PTFE织物和Ag-C@AF/PTFE织物的XPS（d）；Ag-C@AF/PTFE织物的Ag3d能谱（e）；（f）Ag-C@AF/PTFE织物的电阻率随还原温度的变化。（g）不同还原温度下Ag-C@AF纤维的应力曲线；纯AF/PTFE SLCs、Ag - MOF@AF/PTFE SLCs、Ag - C@AF/PTFE SLCs的热导率（h）、层间剪切强度-应变曲线（i）。

图4. 3D-AF/PTFE SLCs、Ag-MOF@AF/PTFE SLCs和Ag-C@AF/PTFE SLCs在室温及100°C下的摩擦系数（a-f）和磨损率（g-i）。

三维编织架构：实现能量的有序引导

  尤为重要的是，该策略在复杂的三维编织结构成功实现了功能网络的均匀、连续构筑。这种多尺度交织结构，不仅强化了界面，更为摩擦能量规划了疏导路径，使得机械能、热能得以沿预设网络定向耗散与转换，从而实现了从被动减摩到主动能量管理的跨越。

图5. 3D-AF/PTFE SLCs（a，a1）、Ag-MOF@AF/PTFE SLCs（b，b1）、Ag-C@AF/PTFE SLCs（c，c1）在室温下磨损表面的SEM。与3D-AF/PTFE SLCs（d，d1）、Ag-MOF@AF/PTFE SLCs（e，e1）、Ag-C@AF/PTFE SLCs（f，f1）对磨的配对钢球摩擦膜的SEM以及相应EDS（d2-f2）。

图6. Ag-C@AF/PTFE SLCs的摩擦配对钢球上形成的摩擦膜的TEM-FIB (a)。摩擦膜的高倍图像(b)。b中区域的HR-TEM (c)。SAED (d)。沿摩擦膜的EDS (f - g)。F、C、O、Ag、N元素EDS (e)。

图7. Ag-C@AF/PTFE SLCs磨损机理示意图。

应用前景：面向极端工况的下一代解决方案

  这项研究为开发面向极端环境的高性能润滑与耐磨自润滑体系提供了全新思路。此类具备能量协同管理能力的三维编织复合材料，有望应用于：

• 高速航空航天轴承、密封及传动系统

• 重载工业机器人关节与精密减速装置

• 对热管理与可靠性有严苛要求的特种装备

结语

  润滑科技的发展，正从追求单一的摩擦系数降低，演进为对摩擦全过程中能量流与物质流的系统调控。通过跨尺度界面设计与多维功能耦合，未来的材料将不仅是界面的保护层，更是实现能量智能疏导、状态自感知与性能长寿命稳定的关键载体。该研究为破解聚合物基材料导热不足这一长期难题提供了可工程化的解决方案，也为高可靠自润滑轴承的设计与应用奠定了新的基础。

  以上研究工作得到了国家自然科学基金、陕西省科技创新团队等项目的支持。

  原文链接：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