清华大学徐万兴、韩天意、张晨辉等在学术期刊 Composites Part B 上于2025年12月24日在线发表了一项原创性研究成果，题为“Hydrogel microcapsules enhanced PEEK composites for advanced water lubrication”。这项研究提出了一种创新的聚合物复合材料设计，旨在解决水润滑轴承在低速重载条件下所面临的严峻摩擦学挑战。
学术背景 本研究属于材料科学与摩擦学交叉领域，特别是针对聚合物基复合材料在水润滑系统中的应用。船舶推进系统中的水润滑轴承是核心部件，在正常工作状态下，水膜能有效隔离摩擦副表面。然而，在低速、高接触压力的恶劣工况下，流体动力润滑失效，导致水膜变薄甚至破裂，使表面微凸体直接接触，引发严重的磨损和摩擦噪声，影响船舶正常运行。常用的水润滑轴承材料（如陶瓷、橡胶、聚合物）中，聚醚醚酮（PEEK）等聚合物因其优异的耐腐蚀性和化学稳定性而受到关注。然而，纯PEEK的承载能力有限，且在边界与混合润滑状态下性能不足。传统的物理共混（如添加碳纳米管、碳纤维）虽能改善力学性能，但无法增强表面水分子的吸附能力。通过化学改性（如水化刷分子接枝）虽然能提升表面水化能力，但其形成的润滑层一旦磨损便失效，且大规模的改性可能损害聚合物基体的完整性，影响长期稳定性。因此，亟需一种既能保持基体材料固有强度，又能持续增强摩擦界面水分子吸附与润滑的新策略。水凝胶（Hydrogel）作为一种高亲水性三维网络结构凝胶，能在水中快速溶胀并保有大量水分，在关节润滑等领域已展现出优异的润滑性和表面粘附性。然而，水凝胶通常不耐高温，这与PEEK等热塑性聚合物所需的高温加工（例如PEEK的成型温度高达330°C）存在根本矛盾。微胶囊（Microcapsule）技术提供了一种潜在的解决方案，其核壳结构可以保护内部物质在加工过程中不受高温破坏，并在摩擦过程中通过受压破裂释放内容物。本研究巧妙地将水凝胶与微胶囊技术相结合，设计了一种新型的“破裂-生长”（Rupture-grow）润滑策略。
研究详细流程 本研究的工作流程主要包括微胶囊的制备、复合材料的烧结成型、摩擦学性能测试以及深入的机理表征。
1. 微胶囊的制备： 研究采用溶剂蒸发法（Solvent evaporation method）分别制备了两种微胶囊，分别封装海藻酸钠（Sodium alginate， SA）和乳酸钙（Calcium lactate， CL）这两种海藻酸钙水凝胶的前驱体。具体步骤为：将海藻酸钠或乳酸钙溶解于去离子水中形成水相溶液，将聚砜（Polysulfone， PSF）溶解于二氯甲烷中形成油相。将水相溶液与油相混合，并加入Span 80表面活性剂，通过细胞破碎仪将水相分散成细小液滴。随后，将该混合液倒入含有1 wt%聚乙烯醇（PVA）水溶液（作为分散剂）的容器中，在42°C、300 rpm的搅拌条件下加热。随着二氯甲烷的蒸发，PSF在水相液滴周围凝结，形成包裹着水凝胶前驱体（海藻酸钠或乳酸钙）的核壳结构微胶囊。这种分开封装两种前驱体的方法避免了直接封装水凝胶可能带来的溶胀问题，为后续在摩擦界面原位形成水凝胶涂层奠定了基础。
2. 复合材料制备与烧结： 将制备好的两种微胶囊与PEEK粉末按不同质量比例（0, 3, 5, 7, 10, 12 wt%）在干态环境下通过多向机械搅拌进行预分散，以确保微观尺度的均匀性，防止微胶囊团聚。然后将混合均匀的复合粉末装入石墨模具，采用放电等离子烧结（Spark Plasma Sintering， SPS）工艺进行成型。烧结过程采用五步程序：首先在50分钟内从20°C升至330°C（接近PEEK熔点），然后在330°C保温60分钟，使粉末在高温高压下软化并致密化，之后在20分钟内降温至250°C。整个过程在加压和真空环境下进行，以提高样品密度、结合强度以及PEEK的结晶度，从而增强其力学性能和耐磨性。
3. 摩擦学性能测试： 使用球-盘往复式摩擦试验机（UMT-5）对制备的PEEK复合材料圆盘进行水润滑条件下的摩擦磨损测试。对磨球为直径10 mm、表面粗糙度Ra ≤ 0.1 μm的氮化硅（Si3N4）球。测试参数涵盖不同载荷（5 N, 10 N, 15 N）和不同转速（30, 60, 120, 180, 240 rpm），每个测试持续30分钟。此外，还对最优配方的复合材料进行了长达10小时的耐久性测试。测试结束后，用酒精清洗磨损表面以进行后续表征。
4. 表征与机理分析： 研究采用了多种先进的表征技术来验证复合材料的成功制备、摩擦性能的提升以及其背后的润滑机制。 * 形貌与成分分析： 使用扫描电子显微镜（SEM）观察微胶囊的形貌、尺寸、壳层结构以及复合材料磨损前后的表面形貌。通过能量色散谱仪（EDS）进行元素面扫分析，确认微胶囊的核壳成分以及磨损表面上水凝胶特征元素（Ca， Na）的分布。 * 力学性能测试： 对含有不同微胶囊含量的PEEK复合材料进行了应力-应变测试，评估其断裂强度和杨氏模量的变化。 * 化学结构分析： 使用红外光谱（IR）分析了纯钙藻酸盐粉末、纯PEEK粉末、纯PEEK块体以及10 wt%复合材料的磨损表面。通过比较特征峰（如O-H伸缩振动峰、C-O-C键振动峰）的变化，验证磨损表面是否有水凝胶生成以及PEEK结晶度的变化。 * 表面化学状态深度分析： 使用飞行时间二次离子质谱（ToF-SIMS）对摩擦后的纯PEEK及不同含量复合材料的表面进行深度剖析，通过检测Na+和Ca2+离子的信号强度及其随溅射深度（约10 nm）的变化，直观证明了水凝胶前驱体在摩擦过程中释放并在近表面区域形成水凝胶层。 * 三维形貌与磨损率计算： 使用三维表面轮廓仪分析磨损区域的形貌，并计算材料的磨损率。
主要结果 1. 微胶囊与复合材料表征结果： SEM和EDS结果表明，成功制备了具有完整核壳结构的微胶囊，壳层厚度约为100 nm，内部成功封装了海藻酸钠或乳酸钙。经过高温烧结过程后，微胶囊在PEEK基体中仍保持了结构完整性，证明了PSF壳层在PEEK加工温度下的有效保护作用。微胶囊直径在2-5 μm之间，且在复合材料表面存在部分团聚现象。应力-应变测试表明，随着微胶囊含量的增加，复合材料的断裂强度和杨氏模量逐渐下降（断裂强度从255 MPa降至150 MPa，杨氏模量从8.6 GPa降至4.2 GPa）。这主要是由于微胶囊作为软质第二相引入了局部应力集中点。尽管如此，其力学性能仍显著高于尼龙、POM等常规工程塑料，完全满足水润滑轴承材料的基本力学要求。
2. 摩擦学性能结果： 首先确定了最优的水凝胶前驱体比例。将不同比例（SA:CL质量比分别为3:1， 2:1， 1:2， 1:1）的海藻酸钙水凝胶涂覆在纯PEEK表面进行摩擦测试，发现比例为1:1（P4）时摩擦系数最低。过量的乳酸钙会导致水凝胶过硬而失去润滑性，而过高的海藻酸钠浓度则阻碍稳定水凝胶网络的形成。因此后续实验均采用1:1的比例。 关键发现是，随着微胶囊含量的增加，PEEK复合材料的摩擦系数系统性降低。当微胶囊含量为10 wt%时，在240 rpm转速下，摩擦系数降低至约0.022，相较于纯PEEK降低了64%。当含量增至12 wt%时，出现了可见的加工缺陷，因此后续测试聚焦于10 wt%及以下含量。在不同载荷和速度下，10 wt%复合材料均表现出稳定且较低的摩擦系数。长达10小时的摩擦测试表明，其摩擦系数在整个周期内未发生突变，显示出良好的稳定性。
3. 耐磨性与磨损表面分析结果： 三维表面形貌分析显示，随着微胶囊含量增加，磨损痕迹逐渐变浅，但表面出现了一些沟槽和横向撕裂。当微胶囊含量为10 wt%时，磨损表面观察到一些微孔，这可能是由于团聚的微胶囊从基体脱落所致。尽管如此，磨损率计算表明，10 wt%复合材料的磨损率相比纯PEEK降低了一个数量级以上，达到1.85 × 10^−7 mm³/N·m的低值，证明其耐磨性得到显著提升。 对磨损表面的深入表征强有力地支持了“破裂-生长”润滑机制。红外光谱显示，10 wt%复合材料磨损表面出现了明显的O-H伸缩振动峰（约3400 cm^-1），且相较于纯钙藻酸盐粉末发生了红移，表明形成了海藻酸钙水凝胶，并且其羟基与PEEK基体之间可能存在氢键增强作用。SEM和EDS元素面扫分析进一步证实，在磨损区域（特别是高微胶囊含量的样品上）出现了富含Ca和Na元素的层状区域，而在非磨损区域或低含量样品的磨损区则没有，这直接证明了水凝胶涂层在摩擦过程中的原位形成。ToF-SIMS分析提供了更深层次的证据：对于纯PEEK，摩擦前后均未检测到Na+和Ca2+信号。对于5 wt%的复合材料，在溅射前即可检测到Na+，而Ca2+信号在溅蚀后才变得明显，表明Na+富集在表层，而更稳定的Ca2+交联区域位于内部。对于10 wt%的复合材料，溅射前后均可观察到更强烈的Na+和Ca2+信号，且磨损区域的信号更强，证实了微胶囊在摩擦过程中被磨破，释放出的前驱体在界面形成了水凝胶层。
4. 润滑机理： 基于以上结果，研究提出了清晰的润滑机理模型。将两种水凝胶前驱体微胶囊复合到PEEK基体中。在与Si3N4球对磨过程中，微胶囊因摩擦磨损而破裂，释放出海藻酸钠和乳酸钙。在水润滑环境下，释放出的Ca2+与海藻酸钠链上的古洛糖醛酸（G）单元发生高效的多齿配位，桥接并交联聚合物链，从而在磨损表面原位形成海藻酸钙水凝胶润滑膜。在持续的摩擦过程中，剪切力和压力促使前驱体不断释放并发生交联反应，实现了润滑膜的“原位生长”。这一连续的反应-生长过程确保了在整个摩擦过程中，摩擦界面始终能被一层新鲜的水凝胶膜覆盖。这层水凝胶膜有效地减少了PEEK复合材料与Si3N4对磨球表面之间的摩擦和磨损。
结论与意义 本研究成功通过溶剂蒸发法和SPS烧结工艺制备了一系列不同微胶囊含量的水凝胶微胶囊增强PEEK复合材料。其中，含有10 wt%（海藻酸钠与乳酸钙微胶囊质量比1:1）微胶囊的复合材料表现出最显著的减摩抗磨性能，与纯PEEK相比，摩擦系数降低了64%，磨损率降低了一个数量级。这种提升归因于摩擦过程中原位形成的水凝胶涂层提供了有效的边界润滑。该复合材料在保持足够承载能力的同时，具备了优异的耐磨性。 这项工作的科学价值在于提出了一种创新的“破裂-生长”润滑策略，将微胶囊技术与水凝胶润滑相结合，巧妙地解决了水凝胶不耐高温与聚合物高温加工之间的矛盾。这不仅为开发高性能自润滑聚合物复合材料提供了新方法，也为应对严苛工况下的水基润滑系统（如水润滑轴承、人工关节等）中的关键摩擦学挑战提供了有前景的解决方案，具有重要的工程应用潜力。
研究亮点 1. 创新性的策略： 提出了“破裂-生长”这一全新的润滑概念，通过微胶囊封装水凝胶前驱体，实现了在聚合物加工过程中保护活性物质，并在使用过程中于摩擦界面原位构建润滑层。 2. 显著的性能提升： 在低速高载的水润滑条件下，实现了摩擦系数64%的降低和磨损率一个数量级以上的下降，性能提升显著。 3. 跨学科方法融合： 成功地将微胶囊制备技术、聚合物复合材料加工技术、摩擦学测试与水凝胶化学相结合，为解决实际工程问题提供了多学科交叉的范例。 4. 深入全面的机理验证： 不仅通过宏观摩擦磨损测试证明了性能优势，更综合运用SEM、EDS、IR、ToF-SIMS等多种表征手段，从形貌、成分、化学结构到深度分布等多个层面，完整、深入地揭示了水凝胶涂层的原位形成过程与润滑机制，构成了坚实的证据链。 5. 良好的工程应用前景： 所制备的复合材料工艺相对简单，性能稳定，且文中提到在Thordon材料上也展示了有效的摩擦系数降低效果，表明该策略具有一定的普适性，对水润滑轴承等实际部件的制造具有潜在应用价值。
其他有价值内容 研究还对比了商业Thordon材料的摩擦性能，结果表明该改性材料能有效降低其摩擦系数，进一步佐证了该策略的应用潜力。此外，研究对复合材料力学性能随微胶囊含量增加而下降的现象进行了合理解释，并指出其绝对值仍满足工程要求，体现了研究者在性能平衡方面的考量。补充数据中可能包含的关于微胶囊高温稳定性、复合材料加工缺陷等更详细的信息，也为了解该技术的局限性和优化方向提供了参考。