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南京航空航天大学与南京林业大学团队发表于 Tribology International:湿热老化下 TiO₂ 增强 PI/CF 复合材料的摩擦学耐久性

2026-07-13 14:55:19

这篇论文关注聚酰亚胺/碳纤维复合材料在湿热环境中的摩擦学退化问题。作者在固定 15 wt% 碳纤维的基础上，系统改变 TiO₂ 纳米粒子含量，并通过 90 °C、95% RH 的加速湿热老化考察吸湿、表面化学、热稳定性、拉伸性能和摩擦磨损行为。研究表明，适量 TiO₂ 能降低水分进入和界面退化，其中 5 wt% 配比在老化后表现出最低吸湿水平和最佳耐磨性，磨损率相较未填充样品降低 49.3%。论文还用 ReaxFF 分子动力学解释自由体积、链段运动和相互作用能的变化，从而把宏观磨损结果追溯到分子结构稳定性。

核心指标

指标	内容
研究对象	固定 15 wt% 碳纤维含量的 PI/CF/TiO₂ 摩擦复合材料。
TiO₂ 梯度	0、1、3、5、7、9 wt%，用于比较低、中、高填料含量的非单调效应。
老化条件	90 °C、95% RH 的湿热加速老化，模拟高湿高温服役环境。
实验表征	吸湿曲线、XPS、TG/DTG、拉伸、球-盘摩擦磨损、白光轮廓和 SEM。
最优配比	5 wt% TiO₂ 样品老化后吸湿最低，并获得最佳摩擦磨损表现。
关键指标	老化后 5 wt% TiO₂ 样品磨损率较未填充样品降低 49.3%。
机理解释	适量 TiO₂ 降低自由体积和链段运动，提高内聚能密度；过量 TiO₂ 易引入团聚缺陷。

导读

PI/CF/TiO₂ 这类聚合物基摩擦复合材料在超声电机定转子摩擦界面中具有一定应用潜力。超声电机依靠摩擦界面把压电振动转化为输出转矩，摩擦层的吸湿、界面结合、磨损稳定性会直接影响效率、扭矩和寿命。本文虽然没有直接做超声电机样机测试，但 PI/CF/TiO₂ 复合材料在 90 °C、95% RH 下的湿热老化、磨损率、SEM 损伤和分子动力学结果，正好补充了摩擦材料在高湿高温服役中的耐久性评价。阅读时建议把图 6、图 17、图 20 和图 23 连起来看，从吸湿、磨损、形貌和分子机制四个层面理解 5 wt% TiO₂ 为什么形成最佳窗口。

作者团队

作者团队来自南京航空航天大学机械结构力学及控制全国重点实验室，以及南京林业大学机械电子工程学院。作者姓名保留英文形式，包括 Qianqian Zhao、Tianqiang Yin、Zhiyuan Guo、Guoqing Wang、Qingjun Ding、Gai Zhao、Huafeng Li 和 Lin Yang。论文的研究特点在于把摩擦磨损试验、XPS 表面化学、热分析、SEM 形貌和反应分子动力学放在同一条证据链中，而不是只用单一磨损率评价材料优劣。这种多尺度组合更适合解释湿热服役场景下的界面失效，也能帮助研究者判断纳米填料的最佳含量是否具有可迁移的工程设计意义。

湿热环境下的 PI/CF 摩擦材料，核心问题是界面稳定性而不只是硬度

PI 基复合材料常用于轴承、滑动副和高温耐磨部件，但湿热环境会让材料评价变得复杂。水分进入聚合物后会引发塑化、酰亚胺结构水解和界面结合削弱，碳纤维与基体之间的载荷传递随之下降。摩擦过程中如果承载表面不能保持连续稳定，转移膜容易破碎，磨屑也会加速疲劳剥落。因此，这篇论文真正讨论的是湿热老化后界面还能否维持滑动承载，而不是简单比较干态下的摩擦系数。作者把老化、摩擦和分子尺度降解放在一起分析，能够更接近真实服役问题。

图1 原文 Fig. 3：湿热条件下加速老化试验示意图。

TiO₂ 的作用首先体现在阻水和降低扩散通道，而不是直接改变摩擦曲线

吸湿曲线显示，未填充 PI/CF 体系的水分吸收最高，而加入 TiO₂ 后吸湿水平明显下降。论文给出的饱和吸湿量和扩散系数都说明，5 wt% TiO₂ 能更有效地增加扩散路径曲折度，并填充一部分自由体积，从而限制水分进入基体内部。这个结果很关键，因为湿热磨损的起点往往不是摩擦试验本身，而是老化阶段已经发生的分子链松弛和界面削弱。若填料含量过高，颗粒团聚会削弱阻水效果，使吸湿量重新上升，说明纳米填料存在明确的最佳窗口。

图2 原文 Fig. 6：湿热条件下不同 TiO₂ 含量复合材料的吸湿曲线。

XPS 结果说明 5 wt% 配比能减缓表面化学结构的老化漂移

XPS 谱图用于判断湿热老化后表面官能团和键合环境是否发生明显变化。对 5 wt% TiO₂ 样品而言，O1s、N1s 和 C1s 峰位及峰面积变化相对温和，说明该配比在水分作用下仍能保持较好的表面化学稳定性。这里的意义不只是证明材料没有完全降解，而是把后续磨损结果和表面化学状态连接起来：如果 C-O、C=O 等氧化或水解相关组分快速变化，滑动界面更容易产生剥落和不稳定磨屑。5 wt% 样品的较小漂移为其稳定摩擦行为提供了化学层面的证据，也解释了磨损数据的可靠来源。

图3 原文 Fig. 10：5 wt% TiO₂ 样品老化前后的 XPS 谱图。

磨痕宽度和磨损率呈非单调变化，5 wt% 是耐磨性能的最佳点

磨痕宽度和磨损率直接给出材料在滑动接触后的损伤程度。论文结果显示，湿热老化会使所有配方的磨损加重，但 TiO₂ 含量对劣化程度有明显调节作用。随着 TiO₂ 从 0 wt% 增加到 5 wt%，磨痕宽度和磨损率逐步降低，老化后 5 wt% 样品的磨损率比未填充样品低 49.3%；继续增加到 7 wt% 和 9 wt% 后，耐磨性反而下降。这说明 TiO₂ 的有效作用依赖均匀分散和界面承载，过量填料会带来局部非均匀性，使接触表面重新出现应力集中和磨粒犁削。因此，最佳含量应被理解为结构稳定窗口，而不是单点指标优化。

图4 原文 Fig. 17：不同 TiO₂ 含量下 PI 复合材料的磨痕宽度与磨损率。

老化后 SEM 形貌把磨损机制从指标变化落实到具体损伤模式

SEM 图像进一步说明不同配比的失效方式。未填充样品在老化后出现大片剥落和材料脱落，低含量 TiO₂ 样品仍能看到坑洞、纤维暴露和局部裂纹，说明界面结合不足以承受连续划擦。5 wt% 样品的划痕相对平直、连续，只有少量细小磨屑和轻微剥落，显示承载表面更致密，能更好分散接触应力。高含量样品中沟槽和剥离重新加剧，说明团聚颗粒会成为新的损伤源。这个形貌证据让“最佳含量”不再只是数值结论，而是对应到可观察的磨损机制转变。

图5 原文 Fig. 20：湿热老化后不同 TiO₂ 含量 PI 复合材料的划痕 SEM 图像。

分子动力学把最佳含量解释为自由体积、链段运动和内聚能的平衡

论文最后用 ReaxFF 分子动力学建立老化后的 PI/TiO₂ 模型，解释为什么 5 wt% 更稳定。模拟结果显示，中等 TiO₂ 含量可降低自由体积分数，限制链段均方位移，并提高体系内聚能密度，使水分扩散和链段解缠受到抑制。这与实验中较低吸湿量、较小磨痕和更平稳的 SEM 表面相互印证。过高 TiO₂ 含量虽然增加无机相比例，却可能引入团聚和结构缺陷，导致自由体积回升或局部脆化。因此，材料设计的重点不是追求更多纳米粒子，而是找到能同时约束水分、链段和界面的中等填料窗口。

图6 原文 Fig. 23：重构老化模型的分子动力学结果。

论文信息：Qianqian Zhao, Tianqiang Yin, Zhiyuan Guo, Guoqing Wang, Qingjun Ding, Gai Zhao, Huafeng Li, Lin Yang. Tribological performance of TiO2 reinforced PI/CF composites under hygrothermal ageing: Insights from combined experiments and molecular dynamics simulations. Tribology International, 2027, 225: 112428.

DOI: 10.1016/j.triboint.2026.112428

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