摘要：聚醚醚酮（PEEK）作为轻量化机器人的关键结构材料，因其优异的机械性能和耐磨性而备受关注，然而其自润滑性差限制了在运动部件中的应用。纯PEEK在无油条件下摩擦系数较高（0.4–0.6），难以满足实际需求。以往通过添加聚四氟乙烯（PTFE）改善润滑性，但PTFE

聚醚醚酮（PEEK）作为轻量化机器人的关键结构材料，因其优异的机械性能和耐磨性而备受关注，然而其自润滑性差限制了在运动部件中的应用。纯PEEK在无油条件下摩擦系数较高（0.4–0.6），难以满足实际需求。以往通过添加聚四氟乙烯（PTFE）改善润滑性，但PTFE会破坏PEEK基体连续性，导致机械性能和耐磨性下降。受生物关节中软骨结构的启发，研究人员提出模拟软骨中滑液受控释放的机制，通过调控PTFE在摩擦过程中的转移行为，实现在低PTFE含量下兼具良好润滑与力学性能的复合材料。

西北工业大学杜乘风副教授、齐卫宏教授、余泓副教授合作通过热压烧结成功制备了PEEK基复合材料，其中PTFE作为润滑相，Ti₃C₂Tₓ MXene作为转移膜调控介质。通过正交实验优化PTFE与MXene配比，发现在PTFE含量为10 wt.%时，添加MXene可使工程应变提高一倍，压缩强度提升11%，同时摩擦系数降至0.060±0.001，较无MXene复合材料降低26.83%，磨损率维持在10⁻⁶ mm³ N⁻¹ m⁻¹的低水平。分子动力学模拟表明，MXene与PTFE之间的强界面结合实现了PTFE的受控释放，从而显著提升复合材料的润滑与耐磨性能。相关论文以“MXene-Controlled PTFE Release for Ultra-Low Friction PEEK Composites”为题，发表在

研究团队首先通过示意图1类比软骨结构与复合材料设计机制：软骨在压力下控制滑液释放形成润滑膜（图a），而PEEK复合材料中MXene与PTFE颗粒共同嵌入基体，MXene调控PTFE在摩擦过程中的转移行为，形成连续润滑膜（图b）。图1系统展示了复合材料的摩擦学性能：随着PTFE含量增加，摩擦系数逐渐降低，但超过10 wt.%后效果减弱；MXene的引入进一步降低摩擦系数，尤其在低PTFE含量下效果显著。磨损率随PTFE含量先降后升，而MXene含量增加则使磨损率先升后降。正交分析表明，PTFE对摩擦系数和显微硬度影响更大，而MXene则与摩擦系数负相关、与硬度正相关。90(Ti₃C₂Tₓ)-10复合材料在摩擦系数和磨损率方面均优于现有报道的PEEK/PTFE体系。

示意图1 （a）软骨结构及其应力响应滑液释放的自润滑机制示意图；（b）T₃C₂Tₓ MXene@PTFE颗粒嵌入PEEK复合材料及通过PTFE受控转移实现自润滑的机制示意图。

图1 （a）PEEK(Ti₃C₂Tₓ)-PTFE复合材料的摩擦学性能；（b）复合材料的平均摩擦系数和（c）磨损率；（d）3D点图与热图展示PTFE和Ti₃C₂Tₓ含量对平均COF、WR和显微硬度的影响；（e）已报道PTFE、PEEK及PEEK-PTFE复合材料的COF与WR总结。

图2通过SEM和EDS分析了磨损表面及其元素分布。低PTFE含量时磨损表面呈现波浪形塑性变形；PTFE为10 wt.%时表面光滑，形成连续润滑膜；而高PTFE含量下出现PTFE聚集导致局部点蚀，磨损率升高。MXene的加入使ZrO₂球磨斑上元素分布更均匀，有效抑制PTFE过度转移。FIB-TEM进一步在ZrO₂球表面观察到约4 nm厚的非晶转移膜，含有Ti和F元素，证实PTFE与MXene共同转移形成润滑层。

图2 （a–e）与各系列中最低摩擦系数复合材料对应的ZrO₂球上磨斑的SEM图像；（f）ZrO₂球磨斑内外区域及磨斑内部原子组成对比（左），Ti与F元素原子百分比放大图（右）；（g,h）ZrO₂球对阵90(5)-10复合材料后表面转移膜的TEM图像；（i）转移膜区域高分辨TEM显示非晶特征；（j）EDS映射显示薄膜中Ti和F的分布，Au为FIB加工保护层。

机械性能方面，图3的压缩测试显示，MXene的加入提高了PEEK复合材料的刚度，但降低了塑性变形能力。在90(Ti₃C₂Tₓ)-10体系中，0.5 wt.% MXene使应变超过30%，压缩强度提升11%。但随着MXene含量增加，复合材料逐渐脆化。图4的断裂表面SEM显示，纯PEEK为韧性断裂，加入MXene后断裂面变粗糙，出现微裂纹和界面脱粘；而在PTFE复合体系中，MXene主要分布于PTFE区域，界面断裂特征明显。

图3 （a）PEEK(Ti₃C₂Tₓ)复合材料与（b）90(Ti₃C₂Tₓ)-10复合材料的压缩应力-应变曲线；（c）平均压缩强度与（d）偏移压缩屈服强度（OCYS）随Ti₃C₂Tₓ含量的变化。

图4 （a–e）PEEK及PEEK(Ti₃C₂Tₓ)样品的断裂表面（插图：断裂样品实物图）；（f–j）90-10与90(Ti₃C₂Tₓ)-10复合材料的断裂表面（插图：断裂样品实物图），EDS映射叠加显示Ti（黄色）与F（粉色）元素分布。

为揭示MXene的调控机制，图5的分子动力学模拟表明，引入Ti₃C₂O₂层后，PTFE链的滑动仅限于表层，与MXene强结合，滑移主要发生在ZrO₂/MXene界面；而无MXene时，整个PTFE层发生剪切，导致大量转移和界面破坏。这解释了MXene如何促进形成稳定的薄层PTFE润滑膜，从而实现低摩擦与高耐磨。

图5 （a）含与不含Ti₃C₂O₂层的分子动力学模拟单元结构；（b）滑动过程最终状态模型快照；（c）滑动最后500 fs内PTFE链平均速度随高度变化曲线。

综上所述，本研究通过优化MXene与PTFE的配比，成功开发出具有超低摩擦与优异力学性能的PEEK复合材料。90(Ti₃C₂Tₓ)-10复合材料在压缩强度、塑性变形和耐磨性方面表现突出，摩擦系数低至0.060。MXene通过强界面作用控制PTFE转移，模拟了生物润滑中的受控释放机制。该策略为高性能自润滑结构材料的设计提供了新思路，有望推动轻量化机器人运动部件的技术发展。

声明：仅代表作者个人观点，作者水平有限，如有不科学之处，请在下方留言指正！

来源：科学论