碳化竹粉增强环氧树脂复合材料的摩擦磨损性能研究及其与52100钢的滑动行为

为解决生物质废弃物污染问题并提升环氧树脂(EP)的摩擦学性能，研究人员开展碳化竹粉(CBF)增强EP复合材料研究。结果表明，含2.0 wt.%改性CBF的复合材料磨损率降至5.2×10-3 mm3/Nm，较纯EP降低37.5%，其性能优于氧化石墨烯(GO)/EP复合材料。该研究为生物质资源高值化利用提供了新思路。

　　

随着环保意识增强，如何处理每年产生的数百万吨竹制品废弃物成为棘手难题。传统焚烧处理不仅造成资源浪费，还会释放大量温室气体。与此同时，在航空航天、机械制造等领域，环氧树脂(EP)因其优异机械性能被广泛应用，但其耐磨性不足常导致部件早期失效。如何将废弃生物质转化为高性能材料添加剂，既解决环境问题又提升工程材料性能，成为材料科学领域的热点课题。

在这项发表于《Results in Engineering》的研究中，Zhiguo Liu团队创新性地将竹粉通过高温碳化、碱活化和硅烷偶联剂改性，制备出碳化竹粉(CBF)，并采用紫外光固化技术将其与环氧丙烯酸酯(EP)复合。研究发现，这种"变废为宝"的策略不仅实现了生物质资源的高值化利用，更使复合材料展现出超越传统石墨烯增强体系的摩擦学性能。

研究采用四大关键技术：通过500℃高温碳化制备竹源碳材料；利用NaOH水热活化构建多孔结构；采用3-(三甲氧基硅基)丙基甲基丙烯酸酯进行表面修饰；通过紫外光引发聚合制备复合材料。通过球-盘摩擦试验机评估材料性能，结合SEM、XPS等表征手段分析磨损机制。

【结构表征】显示：碳化后的竹粉呈现无定形碳特征，Raman光谱出现典型D峰(1352 cm^-1)和G峰(1602 cm^-1)。改性后的CBF通过Si-O-Si键与EP形成三维交联网络，SEM证实其在基体中均匀分散。

【摩擦磨损性能】数据显示：在60Hz频率下，含2.0 wt.%改性CBF的复合材料(S₂)磨损率仅8.2×10^-3 mm³/Nm，是纯EP的1/3。即使在180Hz高频下，其磨损率(5.2×10^-3 mm³/Nm)仍低于GO/EP体系。光学显微观察发现，纯EP磨损表面存在严重撕裂和褶皱，而复合材料仅出现轻微犁沟。

【机械性能】测试表明：改性CBF使EP断裂应力从22.6 MPa提升至30.1 MPa，弹性模量从148.1 MPa增至172.8 MPa。纳米压痕测试显示硬度从0.25 GPa提高到0.41 GPa，硬度/模量比(H/E)从0.06增至0.11，表明材料兼具更高强度和韧性。

【磨损机制分析】揭示：复合材料在摩擦过程中，CBF颗粒会破碎并转移至对磨钢球表面，形成富含碳(66.4 at.%)的转移膜。这种由硬质碳颗粒构成的保护层有效隔离了摩擦副直接接触，是性能提升的关键。相比之下，GO复合材料因层间剪切作用易产生大尺寸磨屑，反而不利于耐磨性。

该研究实现了"一石三鸟"的突破：既解决了竹材废弃物的处置难题，又开发出性能优于传统碳材料的生物基增强体，更通过界面改性技术建立了强韧兼备的复合材料体系。特别值得注意的是，CBF/EP复合材料在保持与纯EP相当摩擦系数的前提下，磨损率显著降低，这一特性在需要稳定摩擦工况的工业应用中极具价值。研究结果为发展绿色高性能复合材料提供了新范式，在环保涂料、机械密封件等领域展现出广阔应用前景。