【论文推送】南京航空航天大学|Tribol. Int.:GO 改性让超声电机摩擦副损伤原子减少近半,PTFE 比 PI 更适配的原因在这里

🧾 Interaction mechanism study on the different friction pairs of ultrasonic motors

👤 J. Zhang；J. Song；Q. Ding；G. Zhao

🏫 南京航空航天大学｜江苏海事职业技术学院

📘 Tribol. Int.

📅 2026，221，112029

🔗 https://doi.org/10.1016/j.triboint.2026.112029

🌊 研究背景

⚙️ 超声电机（USM）的输出性能与使用寿命，高度依赖摩擦副材料能否维持稳定的摩擦系数、极低的磨损率与良好的导热性。

🧱 当前主流方案以 PTFE 或 PI 作为定子摩擦材料，铝合金转子则通过微弧氧化（MAO）制备 Al₂O₃ 陶瓷层来提升耐磨性。

🧩 问题在于：不同摩擦副组合之间的界面行为差异，在实验层面难以直接观测，选材时缺乏原子尺度的理论支撑。

📌 这篇文章的核心问题是：在 USM 实际工况下，GO 改性是否真的有效？PTFE 与 PI 谁更适合？答案能不能从原子尺度讲清楚？

四种摩擦副模型结构与 USM 实际接触界面示意

🧪 实验设计

🔬 研究构建了四种分子动力学（MD）摩擦副模型：

T1（Al₂O₃-PTFE/CuO）与 T3（Al₂O₃-PI/CuO）作为未改性对照组；T2（Al₂O₃/GO-PTFE/CuO）与 T4（Al₂O₃/GO-PI/CuO）为 MAO 强化后的 GO 改性组。

🧱 转子侧 Al₂O₃/GO 复合涂层通过 MAO-WH30A-T 微弧氧化系统制备，GO 在铝合金表面 Al₂O₃ 陶瓷层中原位复合；定子侧 PTFE 和 PI 粉末经干混、热压烧结成型，烧结峰值温度 390 ℃。

📊 MD 模拟在 0.01 GPa 法向载荷、0.1 Å/ps 滑动速度、298 K 条件下运行 600 ps，采用 COMPASS III 力场，提取摩擦系数、界面相互作用能、界面温度和径向分布函数（RDF）作为核心评价参数。

🔬 摩擦磨损实验在 Rtec Instruments MFT-5000 多功能摩擦磨损试验机上完成，按照 ASTM G99 标准执行，法向载荷 5 N，转速 200 rpm，摩擦半径 3 mm，时长 60 min。三维磨痕形貌同样由 Rtec Instruments MFT-5000 内置白光干涉仪表征，测量磨痕宽度与深度，计算磨损率。

💡 实验设计的核心逻辑：MD 模拟提供原子尺度机理，宏观摩擦实验对模拟结论进行交叉验证，两套证据相互支撑。

confined shear 模拟流程图

📊 主要结果

1️⃣ T2 综合表现最优：摩擦系数最低，稳定性最强

MD 模拟结果显示，四种摩擦副的摩擦系数排序为：T3 > T1 > T4 > T2。

T2（Al₂O₃/GO-PTFE）摩擦系数比 T1 低 27.9%，T4（Al₂O₃/GO-PI）比 T3 低 25.3%。

GO 的引入同时发挥了三重作用：强化 Al₂O₃ 层、提升导热性、抑制磨粒生成，与 PTFE 的自润滑特性形成协同，使 T2 达到最低摩擦系数 0.129，而 T3 最高为 0.269。

宏观摩擦实验同样证实了这一趋势：T2 相比 T1 摩擦系数降低 34.5%，磨损率降低 22.7%；T4 相比 T3 摩擦系数降低 28.9%，磨损率降低 30.1%。

四种模型摩擦系数曲线对比

2️⃣ GO 改性显著压低界面温度，原子损伤减少近半

🌡️ 界面温度方面，含 GO 的体系始终更低：T2 比 T1 界面温度低 3.10%，T4 比 T3 低 2.57%。T3（Al₂O₃-PI）因 PI 本征高摩擦系数与高表面能，界面温度最高，达 350 K。

🧱 损伤原子数量的变化更为直观：PTFE 体系中，GO 引入使损伤原子从 229 个（T1）降至 120 个（T2），减少 47.6%；PI 体系中，从 240 个（T3）降至 127 个（T4），减少 47.1%。

📌 界面温度与损伤原子数的一致性趋势表明：GO 通过同时降低热积累与界面原子损伤，从两个维度协同提升了摩擦副的界面稳定性。

四种模型界面温度柱状对比图

3️⃣ 界面相互作用能与相对浓度揭示 GO 的微观调控逻辑

🔗 交互势能计算显示，含 GO 的 T2 和 T4 体系，Al₂O₃/GO 与聚合物之间的界面相互作用能更低，说明 GO 通过含氧官能团与 Al₂O₃ 形成 Al-O-C 桥键，将强界面锚定转化为有效载荷传递与增韧效应。

📐 相对浓度分析进一步量化了 GO 对聚合物链聚集的抑制效果：T2 比 T1 界面相对浓度降低 6.90%，T4 比 T3 降低 12.93%。浓度越低，意味着聚合物链在界面的聚集程度越弱，滑动阻力越小，摩擦系数也随之降低。

💡 RDF 分析同步显示，Al₂O₃/GO 体系的 RDF 主峰向更短距离偏移（约 3 Å，而 Al₂O₃ 约 4.5 Å），说明 GO 改性后界面更紧凑、更稳定。

四种模型沿 z 方向相对浓度分布

4️⃣ 三维磨痕形貌确认 GO 的宏观耐磨保护效果

🔭 借助 Rtec Instruments MFT-5000 白光干涉仪对 30 min 和 60 min 滑动后的磨痕进行三维形貌表征，结果清晰呈现出四种摩擦副的磨损演变差异：

Al₂O₃-PTFE（T1）在 30 min 时已出现明显犁沟与剥落，60 min 后沟槽更宽更深；Al₂O₃/GO-PTFE（T2）磨痕始终保持较浅且均匀，截面轮廓平稳，说明 GO 促进了稳定转移膜的形成。

PI 系列同样表现出一致规律：T3 磨痕随时间显著加深，T4 在 60 min 后仍维持相对均一的磨损形貌，深度变化有限。

四种摩擦副 30 min 与 60 min 三维磨痕形貌及截面轮廓对比

🧠 机理解析

四种摩擦副的性能分化，根源在于 GO、聚合物分子结构与界面行为之间的协同或竞争关系。

GO 的核心贡献有三条路径同时发生：

🔒 界面锚定：GO 通过含氧官能团与 Al₂O₃ 形成化学键合，使 Al₂O₃/GO 层的硬度、弹性模量与断裂韧性全面提升，有效抑制滑动过程中的裂纹萌生与磨粒脱落。

🌡️ 热耗散：GO 的高热导率加速摩擦热向外传递，防止界面局部过热引发的聚合物软化、粘附与塑性流变。

🧲 浓度调控：GO 抑制聚合物链在界面的过度聚集，使相对浓度下降，滑动阻力减弱，摩擦系数随之降低。

PTFE 与 GO 的兼容性优于 PI，原因在于分子结构差异：

🧊 PTFE 为线型链状聚合物，碳骨架被氟原子完全包围，化学惰性强，与 GO 之间以范德华力主导，给予分子链高度构象自由度，在 GO 表面易于滑动重排，充分发挥内禀低剪切特性。

🔥 PI 含有大量苯环与极性酰亚胺基团，与 GO 含氧官能团之间存在氢键、偶极-偶极及 π-π 堆叠等多重强相互作用。这些作用虽增强了界面结合能，却限制了 PI 链在动态摩擦中的滑移能力，导致剪切阻力更高。

因此，T2 以最低界面相互作用能、最低相对浓度与最稳定界面结构，成为四组中综合性能最优的方案。

🧾 全文总结

🔹 T2（Al₂O₃/GO-PTFE/CuO）是四种摩擦副中综合性能最优的方案，摩擦系数最低、磨损率最小、界面温度最低。

🔹 GO 引入后，PTFE 和 PI 体系的损伤原子数均减少约 47%，界面温度下降约 3%，摩擦系数分别降低 27.9% 和 25.3%（MD 模拟），宏观实验结果与之高度吻合。

🔹 PTFE 与 GO 的协同润滑效果优于 PI，根本原因在于 PTFE 以范德华力为主的弱相互作用赋予了更高界面滑动自由度。

🔹 MD 模拟与实验的双重验证路径，为不同工况下 USM 摩擦副的选材与优化提供了原子尺度的理论依据。

✅ 亮点与启示

✅ 研究构建了 MD 模拟与宏观摩擦实验相互印证的完整证据链，将原子尺度的界面行为与宏观摩擦磨损结果直接对应，方法论闭环完整。

✅ 借助 Rtec Instruments MFT-5000 同时承担摩擦系数测试与白光干涉三维形貌表征，实现了"动态摩擦过程—静态磨损形貌"的一体化测试，显著提升了数据关联性。

✅ 相对浓度作为预测摩擦系数的微观指标被明确提出，为后续不同摩擦副体系的快速筛选提供了新的分析视角。

✅ PTFE 与 PI 的性能差异从分子结构层面得到清晰解释，对高分子摩擦材料的设计具有直接参考价值。

✅ GO 通过 MAO 原位复合进入 Al₂O₃ 涂层的工艺路线，兼顾了分散均匀性与界面结合强度，对超声电机转子表面处理的工程化落地有较高借鉴意义。

🏷️ 关键词

超声电机｜摩擦副｜分子动力学模拟｜微弧氧化｜氧化石墨烯｜PTFE｜聚酰亚胺｜Al₂O₃/GO 涂层｜摩擦系数｜磨损率｜Rtec Instruments｜MFT-5000｜三维磨痕形貌｜白光干涉仪

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