摩擦是对材料综合性能的考验。高分子材料的摩擦磨损性能,宏观上,与材料的表面粗糙度、硬度、对磨面相互作用、环境温度等息息相关;而微观上则与高分子的化学组成、结构单元立体构型、聚集态结构等有密切的关系。在和金属的摩擦中,少数的高分子材料,如聚四氟乙烯(PTFE)、超高分子聚乙烯(UHMWPE)、聚醚醚酮(PEEK)等,由于其特殊的分子结构及特性,呈现出较低的摩擦系数和较强的耐磨损性能,其中PTFE粉末可以作为复合材料的固体润滑剂,帮助提高材料的摩擦性能。然而这些特殊的高分子材料与常见的高分子材料相比,加工难度大、成本高昂,无法适应更综合的应用场景。
大多数的高分子材料作为基体,以复合材料的方式能呈现出优异的摩擦磨损性能。在众多的高分子基体材料中,环氧树脂作为典型的热固型树脂,具备较高的硬度和强度,以及化学稳定性和尺寸稳定性,常用于结构件基材。然而其树脂基体自身摩擦系数高、磨损率高,为了提升其摩擦磨损性能,科研人员研制出了多种有效的环氧树脂基复合材料配方。目前来说行之有效的材料配方包含纳米颗粒、固体润滑剂以及增强相。其中,固体润滑剂多为内聚能较低的材料,他们较为容易转移到对磨面,在摩擦副界面处形成转移膜,降低摩擦系数,如石墨弋二硫化钼等;纳米颗粒,如纳米二氧化钛颗粒、纳米二氧化硅颗粒等,具有将滑动摩擦转变为滚动摩擦的效应,从而降低摩擦系数;增强相,通常是短纤维,如短玻璃纤维、短碳纤维等,可以提高材料的硬度和初性,且纤维本身具有较高的耐磨性,对材料整体的耐磨性亦有提高。在Hui Zhang等的报道中采用二氧化钛/短碳纤维/石墨作为填料添加到环氧树脂中,得到了摩擦系数为0.2,比磨损率在(T7mm(3Nm)以下的优异表现。
在这个材料配方的基础上,依然有可以优化其摩擦性能表现的空间。热塑性基体中,短纤维取向通常可以进一步改善材料在某个表面的摩擦磨损性能。这在以环氧树脂为基体的复合材料中却鲜有报道,一个重要的原因就是热塑性树脂在注塑成型过程,由于流场的作用,纤维容易形成取向;而环氧树脂多采用浇铸的方式,没有行之有效使纤维取向的手段。墨水直写过程中树脂墨水在挤出时的流场,可以令高长径比的短碳纤维形成较为一致的取向。