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大連理工大學(xué)團(tuán)隊(duì)提出一種提高PPESK復(fù)合材料耐磨性的界面改性新策略

高速、重載、極端環(huán)境等苛刻條件下服役的高端裝備傳動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)對耐高溫、高耐磨、高強(qiáng)度樹脂基自潤滑復(fù)合材料需求迫切。雜萘聯(lián)苯聚芳醚酮（PPESK）既耐高溫又可溶解，是一種非常有潛力的高性能工程塑料，其自潤滑復(fù)合材料具有較優(yōu)的摩擦性能。然而，樹脂基復(fù)合材料為多相體系，存在填料與基體相容性較差的問題。摩擦過程中填料容易從基體相中脫離，導(dǎo)致復(fù)合材料磨損量增大，從而限制了其實(shí)際應(yīng)用。因此，迫切需要開發(fā)一種優(yōu)化填料與基體之間界面結(jié)合強(qiáng)度的簡便策略，以提高復(fù)合材料的耐磨性能。

耐磨自潤滑樹脂基復(fù)合材料組分中同時(shí)包括多種硬質(zhì)增強(qiáng)相和固體潤滑相，各組分的表面結(jié)構(gòu)各不相同且界面相互作用復(fù)雜，單一偶聯(lián)劑的使用難以滿足界面改性的需求。因此，合適的偶聯(lián)劑種類、含量及其之間的協(xié)同作用對復(fù)合材料的界面性能和摩擦性能至關(guān)重要。

近日，大連理工大學(xué)蹇錫高院士團(tuán)隊(duì)以硅烷偶聯(lián)劑、鈦酸酯偶聯(lián)劑、鋁酸酯偶聯(lián)劑復(fù)配對耐磨自潤滑填料實(shí)現(xiàn)一步法界面改性，并通過模壓成型制備出磨損性能優(yōu)異的PPESK復(fù)合材料。利用RSM 的“Box-Behnken Design”分析偶聯(lián)劑種類、含量及其相互作用對PPESK 復(fù)合材料磨損系數(shù)的影響，并得出最佳改性策略。通過XPS、XRD 譜圖表征偶聯(lián)劑的改性情況，并對復(fù)合材料的摩擦性能、熱性能和力學(xué)性能進(jìn)行評價(jià)。利用掃描電子顯微鏡（SEM）和三維表面測量系統(tǒng)（3D）對磨損表面進(jìn)行觀察，分析復(fù)合材料的潤滑機(jī)理。在此基礎(chǔ)上，制備了樹脂基復(fù)合材料航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃油泵高速止推軸承，并研究了其在3 號(hào)噴氣燃料環(huán)境中的摩擦性能和介質(zhì)耐受性能。該工作以“Anovelinterfacial modificationstrategyto improvethewearresistance ofPPESKcomposites”為題發(fā)表在CompositesPart A:AppliedScienceand Manufacturing。相關(guān)研究工作得到國家自然科學(xué)基金（52203081）等資助。

（本刊記者 逸飛）

兩次凝膠化策略制備構(gòu)型可編輯的高強(qiáng)度氣凝膠

輕質(zhì)多孔氣凝膠作為納米材料中的明星材料之一，近年來在各種新興領(lǐng)域受到了廣泛關(guān)注。但由于其密度低、力學(xué)性能弱，其構(gòu)型編輯能力面臨挑戰(zhàn)。

中國科學(xué)院蘇州納米所張學(xué)同團(tuán)隊(duì)受民間藝術(shù)（陶藝、折紙、編織）啟發(fā)，建立了一種高效的兩次凝膠化(TC)策略，實(shí)現(xiàn)構(gòu)型可編輯高強(qiáng)氣凝膠的制備。

值得注意的是，氣凝膠的比拉伸模量和韌性分別高達(dá)666 MPa·cm3·g-1和2093 kJ· m-3，具有高比拉伸模量和高韌性的雙重性質(zhì)。結(jié)構(gòu)分析表明有機(jī)凝膠、水凝膠，尤其是氣凝膠的強(qiáng)度增強(qiáng)主要是由于TC 過程中交聯(lián)密度的增加和氣凝膠的骨架演化。

溶膠–凝膠過程和凝膠力學(xué)性能的有效調(diào)節(jié)為通過“軟變硬”調(diào)制機(jī)制進(jìn)行構(gòu)型編輯、構(gòu)型鎖定和制造復(fù)雜構(gòu)型的高強(qiáng)氣凝膠奠定了基礎(chǔ)。更具體地說，構(gòu)型編輯基于有機(jī)凝膠的柔韌性，易于變形和恢復(fù)。構(gòu)型鎖定依賴于從有機(jī)凝膠到水凝膠的力學(xué)增強(qiáng)。最后，通過溶劑交換和超臨界干燥，制備出具有復(fù)雜構(gòu)型的高強(qiáng)度氣凝膠。通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和參數(shù)調(diào)控，具有復(fù)雜構(gòu)型的氣凝膠能夠突破其力學(xué)性能極限。

通過特定的構(gòu)型設(shè)計(jì)，氣凝膠的隔熱性能可進(jìn)一步提高，同時(shí)將氣凝膠的應(yīng)用從傳統(tǒng)領(lǐng)域擴(kuò)展到可調(diào)節(jié)熱管理器件、刺激響應(yīng)形狀記憶器件等新領(lǐng)域。該研究為構(gòu)型可編輯氣凝膠的設(shè)計(jì)提供了重要見解，有望推動(dòng)具有特殊構(gòu)型高強(qiáng)度多孔材料的發(fā)展。

該工作以“Folkartsinspiredtwice-coagulated configuration-editabletoughaerogelsenabled bytransformablegel precursors”為題，發(fā)表在期刊NatureCommunications上。文章第一作者是中國科學(xué)院蘇州納米所李立山博士，通訊作者為張學(xué)同研究員，合作者包括青島科技大學(xué)的馬風(fēng)國博士。該工作獲得了國家自然科學(xué)基金、江蘇省自然科學(xué)基金等資助。

左圖為兩次凝膠化策略制備可編輯的高強(qiáng)氣凝膠設(shè)計(jì)方案。

（本刊記者 逸飛）

中國科學(xué)院海洋所超雙疏自清潔防腐防冰涂層研究獲新進(jìn)展

近日，中國科學(xué)院海洋研究所在有機(jī)-無機(jī)復(fù)合雜化超雙疏自清潔防腐防冰涂層研究方面取得新進(jìn)展，相關(guān)成果以"Hybridsuperamphiphobic anti-corrosioncoatingwith integratedfunctionalities ofliquidrepellency,selfcleaning,andanti-icing"為題在國際學(xué)術(shù)期刊Journal ofMaterialsScience&Technology發(fā)表。

受荷葉效應(yīng)啟示的超疏水材料，因其優(yōu)異的界面不潤濕特性，在自清潔、海洋防腐、低溫防覆冰、液體輸運(yùn)、能量收集、織物傳感等領(lǐng)域具有廣闊應(yīng)用前景。大量研究證實(shí)，表面超疏水化是減緩金屬與合金材料腐蝕失效的重要途徑。然而，目前超疏水防腐材料仍面臨諸多挑戰(zhàn)亟待解決，例如機(jī)械穩(wěn)定性不足、低表面張力液體易黏附、空氣層耐壓性欠佳等。

針對低表面張力液體在超疏水表面的潤濕黏附和“扎釘”現(xiàn)象導(dǎo)致的空氣層屏蔽功能失效問題，海洋所科研人員采用有機(jī)-無機(jī)復(fù)合雜化和表面噴涂技術(shù)，設(shè)計(jì)制造了一種兼具超疏水和超疏油特性的超雙疏防腐防冰涂層。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，所制備的超雙疏自清潔涂層對不同表面張力的液體均展現(xiàn)出優(yōu)異的斥液性和液體無損傳輸功能。電化學(xué)測試結(jié)果顯示，涂層表面電荷轉(zhuǎn)移電阻較空白碳鋼基體提升8 個(gè)數(shù)量級(jí)、腐蝕電位正移590 mV、腐蝕電流下降4 個(gè)數(shù)量級(jí)。同時(shí)，涂層在經(jīng)受480 h 鹽霧加速腐蝕和2400 h 戶外大氣腐蝕暴露測試后仍維持性能穩(wěn)定。-10 ℃和-15 ℃低溫環(huán)境下的結(jié)冰測試也進(jìn)一步揭示了涂層具有顯著的延遲結(jié)冰和降低界面冰黏附力特性。以上研究結(jié)果充分證實(shí)了該涂層具備優(yōu)異的防腐防冰功能、規(guī)?；苽浜屯茝V應(yīng)用潛力，為海洋防腐防污先進(jìn)材料與技術(shù)開發(fā)奠定重要基礎(chǔ)。

本研究工作得到了山東省優(yōu)秀青年科學(xué)基金、中國科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)和山東省聯(lián)合基金重點(diǎn)項(xiàng)目資助。

下圖為有機(jī)-無機(jī)復(fù)合雜化超雙疏涂層及其長效防腐與延遲結(jié)冰功能。

（本刊記者 逸飛）

上海光機(jī)所高重頻高功率超快激光器研究取得進(jìn)展

近期，中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所強(qiáng)場激光物理國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在高重頻高功率超快激光器研究方面取得進(jìn)展，相關(guān)成果以“417W,2.38mJInnoslabamplifier compressibletoahigh pulsequality406fs”為題發(fā)表于OpticsLetters。

大功率、大能量、窄脈寬的超快激光器對于科研和工業(yè)應(yīng)用具有重要意義。與摻釹的全固態(tài)皮秒激光器相比，摻鐿的全固態(tài)亞皮秒激光器通常采用啁啾脈沖放大技術(shù)在相同的脈沖能量下具有更高的峰值功率，并且通過進(jìn)一步的非線性壓縮可以達(dá)到100 fs 以下甚至少周期量級(jí)的脈沖寬度，極大地?cái)U(kuò)展了摻鐿超快激光器的應(yīng)用場景。部分端面泵浦的板條（Innoslab）放大器是實(shí)現(xiàn)高功率超快激光放大的主要手段之一。

本研究完成了基于平凸柱面鏡結(jié)構(gòu)的數(shù)百瓦量級(jí)Innoslab 超快激光器的研制。通過采用平凸柱面鏡混合腔結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了自激振蕩抑制，設(shè)計(jì)并研制了高增益、高功率的Innoslab 放大器。其實(shí)現(xiàn)了平均功率417 W，重復(fù)頻率175 kHz 的啁啾脈沖放大輸出，輸出光束在脈沖能量為1.7 ～2.38 mJ的范圍內(nèi)都表現(xiàn)出了良好的脈沖質(zhì)量，壓縮脈沖寬度為406 fs，且脈沖形狀規(guī)范，無基座或旁瓣，是目前Innoslab 激光器在毫焦耳能量范圍內(nèi)、數(shù)百瓦平均功率下的最短脈沖寬度。試驗(yàn)中對脈沖的演化過程也進(jìn)行了定性分析，認(rèn)為來自激光器前端殘余的高階色散、放大器的增益濾波效應(yīng)、展寬器和壓縮器之間三階色散的輕微失配，以及放大器中累積的非線性相移的綜合效應(yīng)實(shí)現(xiàn)了高脈沖質(zhì)量的輸出，為Innoslab 放大器獲得更短脈沖寬度提供了新的思路。該激光器將應(yīng)用于高次諧波產(chǎn)生和微納加工等相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域。相關(guān)工作得到國家自然科學(xué)基金和上海市領(lǐng)軍人才項(xiàng)目的支持。

（本刊記者 逸飛）

浙江大學(xué)團(tuán)隊(duì)面向極端熱管理的高導(dǎo)熱石墨質(zhì)膜研究取得新進(jìn)展

在航空航天、核電站、超頻計(jì)算和極寒天氣等極端復(fù)雜應(yīng)用條件下，內(nèi)部散熱材料、器件和系統(tǒng)面臨著極大的考驗(yàn)。高導(dǎo)熱石墨質(zhì)膜（GF）作為一類重要的輕質(zhì)高性能散熱材料已被廣泛使用。然而，極端使役條件下高導(dǎo)熱石墨質(zhì)膜的性能可靠性和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性尚未明確，其在復(fù)雜工況下的結(jié)構(gòu)失效機(jī)制仍是空白。

浙江大學(xué)高超教授團(tuán)隊(duì)首次報(bào)道了GF 在循環(huán)液氮沖擊過程中出現(xiàn)的異常表面鼓泡新現(xiàn)象，并揭示了其結(jié)構(gòu)破壞機(jī)制，即氮?dú)夥肿釉贕F 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)空隙中遵循“滲透–擴(kuò)散–變形”行為模式。該工作提出了一類通用的無縫異質(zhì)界面增強(qiáng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，有效克服了高導(dǎo)熱GF 在極端液氮沖擊下固有的結(jié)構(gòu)失穩(wěn)并維持了高導(dǎo)熱性，為開發(fā)應(yīng)用于極端環(huán)境的下一代熱管理材料提供了新思路。該工作以“Highlythermallyconductiveandstructurally ultra-stablegraphitic filmswithseamless heterointerfacesforextreme thermalmanagement”為題發(fā)表在Nano-MicroLetters上。

為探究GF 在極端溫變環(huán)境下結(jié)構(gòu)與性能的穩(wěn)定性，該研究引入了從液氮環(huán)境到大氣環(huán)境的快速循環(huán)沖擊試驗(yàn)（LNS 試驗(yàn)）?；趯F 在LNS試驗(yàn)中出現(xiàn)的異常表面鼓泡現(xiàn)象的研究，該文提出了一種GF 的結(jié)構(gòu)失效機(jī)制，即當(dāng)GF 浸入液氮中時(shí)，N2分子通過其表面縫隙滲透進(jìn)入，并在其內(nèi)部空隙中聚積。當(dāng)將GF 從極冷液氮環(huán)境移至大氣環(huán)境時(shí)，溫度的急劇變化觸發(fā)GF 中已滲透的N2分子由液相向氣相轉(zhuǎn)變，內(nèi)部N2體積急劇膨脹致使石墨烯層間發(fā)生局部大形變，最終導(dǎo)致表面氣泡的形成并使GF 結(jié)構(gòu)破壞。同時(shí)，觀察到GF 內(nèi)部空隙結(jié)構(gòu)及其深度（～9 μm）與氣泡壁厚度（～9 μm）一致性，為該結(jié)構(gòu)破壞機(jī)制提供了實(shí)證支撐。分子動(dòng)力學(xué)模擬結(jié)果表明，GF 的結(jié)構(gòu)失效行為與其表面及內(nèi)部缺陷密切相關(guān)，為下一步提高GF 在循環(huán)LNS 試驗(yàn)過程中的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性提供了理論指導(dǎo)。

為了提高GF 的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，該研究提出了一種通用的無縫異質(zhì)界面策略，利用磁控濺射的技術(shù)手段在GF 表面構(gòu)建無縫超薄納米銅層。給石墨質(zhì)膜穿上一層納米金屬鎧甲，實(shí)現(xiàn)填補(bǔ)界面空隙和抵御外力形變，抑制氮?dú)獾臍馀莩珊伺c生長，從而消除液氮沖擊下的石墨質(zhì)膜表面鼓泡。GF@Cu 與原始GF 相比，表面缺陷密度從～ 9.6%下降到～ 0，這使其在LNS 試驗(yàn)中可以有效地阻止N2分子通過表面缺陷擴(kuò)散進(jìn)入其內(nèi)部。分子動(dòng)力學(xué)結(jié)果也表明，構(gòu)建的無縫異質(zhì)界面結(jié)構(gòu)有效地減少了內(nèi)部N2的聚積，使氣泡成核的概率降低，從而避免了鼓泡的結(jié)構(gòu)破壞。左圖為不同石墨質(zhì)膜（GF）在LNS 試驗(yàn)前后的表面形貌。

（本刊記者 逸飛）

“DNA 工業(yè)納米機(jī)器人”為微觀結(jié)構(gòu)制備開辟新途徑

在現(xiàn)代制造業(yè)中，工業(yè)機(jī)器人因能完成高精度自動(dòng)化操作而成為關(guān)鍵組成部分。而納米級(jí)的工業(yè)機(jī)器人，作為創(chuàng)新的制造平臺(tái)，在處理和生產(chǎn)納米材料方面展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。如今，DNA 納米技術(shù)在制造納米機(jī)器人方面也顯示出巨大潛力。

近期，中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所周峰副研究員在設(shè)計(jì)和制造能自我復(fù)制的三維DNA 納米機(jī)器人方面取得了重要進(jìn)展。在這項(xiàng)研究中，團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新地運(yùn)用DNA 納米技術(shù)，結(jié)合可折疊的支架結(jié)構(gòu)和多重響應(yīng)控制方式，成功研發(fā)出一種新型的三維DNA 工業(yè)納米機(jī)器人。這些機(jī)器人能夠在納米尺度上自動(dòng)執(zhí)行重復(fù)任務(wù)，并可以高精度地制造出具有特定結(jié)構(gòu)的手性納米材料。該納米機(jī)器人的大小約為100 nm，它們能夠利用溫度和紫外線（UV）來操控和對齊納米尺寸的零件，然后將納米零件精準(zhǔn)地焊接在一起，制造出所需的納米結(jié)構(gòu)，并在完成后重置，以進(jìn)行下一個(gè)操作。這種方法使得這些納米機(jī)器人能用普通零件制造出具有光學(xué)特性的手性納米產(chǎn)物。此外，這些納米機(jī)器人還可以通過“可控折疊”技術(shù)增加制造過程中的靈活性。這種技術(shù)使得機(jī)器人能夠完成三維結(jié)構(gòu)的多循環(huán)自我復(fù)制，這對于實(shí)現(xiàn)納米材料的大規(guī)模生產(chǎn)至關(guān)重要。

這一成果以“Toward Three-DimensionalDNA IndustrialNanorobot”為題發(fā)表在ScienceRobotics學(xué)術(shù)期刊上，得到了中國科學(xué)院相關(guān)項(xiàng)目的支持，是寧波材料所與美國紐約大學(xué)的重要合作成果。下圖為DNA 工業(yè)納米機(jī)器人用于手性納米材料的組裝制備。（本刊記者 逸飛）