跨尺度石墨烯杂化体/聚六氢化三嗪纳米复合材料的增强抗磨一体化设计及其摩擦学研究

Developing polymer based self-lubricating materials that can be cyclically utilized under severe conditions involving high load, high speed and high temperature is an important goal of the research of advanced lightweight nanocomposites. In view of the uneven dispersion and poor interfacial bonding in the combination of graphene with novel green polyhexahydrotriazine (PHT), this project will focus on building multi-scale inorganic nanoarrays @ graphene hybrid with the help of the excellent adhesion and high reactivity of dopamine. Then the growth mechanism of inorganic nanoscale arrays on graphene was also studied. By analyzing the interface bonding behavior of matrix and reinforcement phase, the project will reveal the interface mechanism between the multi-scale inorganic nanoarray @ graphene and PHT. The integrated design of reinforced and anti-wear nanocomposites will be achieved by adjusting the structure, composition and speciation of nanocarbon based hybrid. Based on the analyses, the project will discuss the structure-activity relationship between the structure, morphology, composition and properties of the nanocomposites. Furthermore, the enhancement and anti-wear synergistic mechanism of the PHT nanocomposites will be elaborated in-detail, which will provide a theoretical basis for the development of high performance green polymer based self-lubricating nanocomposites.

开发高强、抗磨、耐高温和可循环利用的聚合物基自润滑纳米复合材料是先进轻质复合材料研究的重点。本项目从改善石墨烯与新型绿色聚合物聚六氢化三嗪（PHT）的结构与界面入手，利用多巴胺自氧化聚合和金属离子原位成核反应的灵活性，设计新型的跨尺度无机纳米阵列@石墨烯杂化体，研究无机纳米阵列在石墨烯上的生长机制。通过对复合材料中基体与增强相的界面结合行为及界面处的成键特性进行分析，揭示跨尺度无机纳米阵列@石墨烯杂化体与PHT之间的界面作用机制。通过改变跨尺度石墨烯杂化体的结构、组成和种类等参数来优化PHT复合材料的力学及摩擦磨损性能，明确材料的结构、形貌和组成与性能之间的构效关系，阐明跨尺度无机纳米阵列@石墨烯杂化体填充PHT复合材料的协同增强与抗磨机制，为发展高性能绿色聚合物基自润滑纳米复合材料提供理论参考依据。

随着高端工程装备朝着低能耗、长寿命和绿色化的方向发展，传统聚合物复合材料所表现的低强度、高磨损和不可回收等缺点给装备的安全可靠性及高效利用带来很大隐患。因此，开发高强韧、高抗磨和可回收的聚合物基自润滑复合材料是先进轻质结构复合材料研究的重点。本项目从改善新型绿色热固性 PHT 树脂与二维类石墨烯润滑材料的结构和界面入手，借助离子液体与类石墨烯层间相互作用，通过水热、超声和球磨等方法实现了石墨、氟化石墨、二硫化钼和六方氮化硼等二维层状材料的剥离和分散，成功制备出具有超高分散性能的类石墨烯薄层二维纳米润滑材料。并利用糖类及其衍生物与金属盐的水热炭化反应，设计氮化硼-炭过渡层-纳米生长物多尺度复合材料，探究多尺度增强体的微结构、化学组成和制备工艺等对新型绿色的 PHT 复合材料结构、形态以及界面的影响机制。通过改变石墨烯表面金属化合物的结构、组成和种类等来改善 PHT 复合材料的力学及摩擦磨损性能，明确材料的结构、形貌和组成与性能之间的构效关系，阐明多尺度石墨烯增强PHT 复合材料的协同强韧化与抗磨机制，为发展高性能绿色聚合物基自润滑复合材料提供理论参考依据。此外，本研究将动态的阳离子-π 铰链网络引入到刚性骨架热固性PHT与多尺度石墨烯界面层中，成功构筑了兼具高强度、高韧性和可回收的新一代高性能石墨烯增强聚合物复合材料,实现了复合材料强度和韧性的同时提高,并通过阳离子-π交联方式的实时解离与重构实现了复合材料的回收再利用，为国家节能优先，环境友好的可持续发展战略做出一定贡献。