中国科学院材料磨损与防护重点实验室/先进润滑与防护材料研究发展中心知识库

海工装备关重件的磨损与腐蚀问题已成为制约其高效和稳定服役的一个关键共性问题。聚氨酯涂层材料因其优异的性能被广泛应用于磨损和腐蚀防护领域。但由于其摩擦系数较高、致密性不足以及机械强度较低的缺陷，难以满足高性能长寿命减摩耐磨耐蚀防护涂层的要求。采用氧化石墨烯对聚氨酯进行改性复配，发挥的补强作用能够显著提升复合涂层的综合性能。这种增强效应主要取决于两个条件：首先，要有良好的分散性，否则团聚的纳米片层会造成树脂结构中出现局部缺陷；其次，与基质间要有较强的结合，形成功能化氧化石墨烯与树脂之间的协同补强效应。除此之外，固-液复合体系的引入也能够显著提升摩擦学性能和耐腐蚀性能。因此，要想保证氧化石墨烯在树脂体系中增强性能的有效发挥以及固-液协同的实现，就要在提高氧化石墨烯稳定分散性及改善其与树脂间的相容性的基础上，在以下几方面开展深入研究：（1）在分子层面上明确改性剂与氧化石墨烯的界面结合方式对相应产物结构及性能的影响；（2）功能化氧化石墨烯在聚合物中的微观状态及与树脂基质的相互作用机理研究；（3）固-液协同机理以及不同摩擦条件下界面膜演变规律。基于此，本论文开展了功能化氧化石墨烯的设计制备以及在涂层中的应用研究，首先通过表面改性氧化石墨烯对聚氨酯涂层的结构进行优化以提高涂层综合性能；并进一步拓展到固-液复合体系，通过固液相结构调控构筑具有优异摩擦学性能和耐腐蚀性能的复合涂层；系统地考察了涂层组成及结构对其润滑防腐性能的影响规律，并在此基础上探讨了复合涂层的润滑防腐机制。主要研究内容和结果如下： 1．首先，将苯胺低聚物（AO）通过重氮化反应接枝于氧化石墨烯（GO）上，得到表面功能化的氧化石墨烯（AOFG），并通过还原反应制备了功能化还原氧化石墨烯（AOFrG）。表面功能化赋予AOFG和AOFrG良好的分散性和分散稳定性。随后通过聚氨酯（PU）的原位聚合制备了AOFG/PU和AOFrG/PU复合涂层。作为对比，将不加处理的GO和rGO以相同的方法引入PU中制得GO/PU及rGO/PU复合涂层。研究发现：四种石墨烯材料的引入均能够提升PU涂层的机械性能、摩擦学性能和耐腐蚀性，且AOFG和AOFrG的增强效应要明显优于GO和rGO。此外，由于更好的分散性、结构完整性以及更强的化学反应性，AOFG有效增强了其与PU基体间的界面结合强度，复合涂层的机械性能、摩擦学性能和耐腐蚀性能得到更大程度的提升。 2．在以上研究的基础上，根据液相迁移原理，将不同反应性端基的硅油引入到聚氨酯基质中构筑具有超低摩擦和耐腐蚀性一体的功能一体化复合涂层。结果表明：甲基硅油因于与聚氨酯分子链间较弱的结合力，对复合涂层表现出最佳的减摩效果。由于AOFG与聚氨酯分子链的化学交联，甲基硅油/AOFG/聚氨酯三元涂层（GMSOPU）获得了更致密、更坚固的结构，能够在甲基硅油液体润滑的基础上承受更大的应力作用，显示出更高的耐重载和高速性能。此外，甲基硅油改善了聚氨酯复合涂层的疏水性，并结合AOFG的物理阻隔效应，有效抑制了腐蚀因子的渗透，提高了涂层的耐腐蚀性

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