| 题名 | 仿生结构化软物质润滑材料的构筑及其摩擦学性能研究 |
| 作者 | 刘辉 |
| 答辩日期 | 2021-05-26 |
| 授予单位 | 中国科学院大学 |
| 授予地点 | 北京 |
| 导师 | 周峰 |
| 关键词 | 软物质材料 水凝胶 聚合物刷 表面改性 水润滑 |
| 学位名称 | 工学博士 |
| 其他题名 | 无 |
| 学位专业 | 材料学 |
| 英文摘要 | 本论文受自然界中典型的生物润滑表面及其润滑机制启发，旨在发展高性能结构化软物质水润滑材料，揭示材料结构设计、力学性能和表面化学组分对界面润滑性能的影响规律。首先综述了仿生结构化软物质润滑材料研究进展及其在驱动、摩擦及界面黏附领域的应用概况。在此基础上，基于亚表面引发原子转移自由基聚合方法，构筑了系列具有不同结构化特征的湿-滑层状水凝胶、聚合物软物质材料，实现了机械自适应型界面智能摩擦调控，突破了宏观尺度下高承载和超低摩擦等优异性能，成功构筑了应对强变形工况的管状智能固体驱动器件，完成了高承载/低摩擦软物质润滑材料在生物材料与医疗器械表面的涂层修饰，并探索了上述材料的潜在应用。最终，取得了系列基础研究成果。论文主要研究内容及结论如下： 1. 力学自适应型仿生层状水凝胶智能润滑材料的设计与制备及其摩擦调控。天然软骨由于独特机械自适应润滑机制， 在界面展现出低摩擦和高承载性能。 受此启发，我们利用亚表面引发原子转移自由基聚合法，设计了温度响应性层状自适应软骨润滑材料。上层水凝胶/聚合物刷复合层提供水润滑， 下层热响应水凝胶层则表现出力学自适应承载能力。当环境温度高于或低于材料最低临界溶解温 度（LCST， 32.5℃）时，其刚性或模量会产生响应性变化。 伴随着仿生层状水凝胶底层力学模量动态增加， 材料在 LCST 之上表现出明显减摩特性。 此外，通过向掺杂 Fe3O4 纳米粒子的层状水凝胶表面进行近红外激光辐照，可实现滑动界面 摩擦系数的原位降低，突破界面动态润滑调控。本研究成果为开发具有较大承载能力的新型仿生水润滑材料和设计智能/稳定摩擦驱动装置提供了新的研究思路。 2. 仿生高强度各向异性层状水凝胶润滑材料的设计与制备及摩擦学性能研 究。生物系统表面存在的取向性微结构与大分子润滑剂的协同作用对维持界面优异的水润滑功能起着重要的作用。 受此启发，利用预拉伸策略和亚表面引发原子转移自由基聚合方法，在制备得到的各向异性高强度水凝胶表面接枝阴离子聚合物刷，构筑了高强度各向异性层状水凝胶润滑材料。该材料的上层为水凝胶与聚合物刷的多孔复合层，主要起润滑作用；下层为高强度水凝胶支撑层，起承载作用。由于基底的高强度力学特征和界面各向异性润滑的协同作用，所制备的层状水凝胶材料能够在高接触应力下实现摩擦各向异性和界面超低摩擦。该仿生高强度各向异性层状水凝胶润滑材料为设计新型仿生关节软骨材料和仿生结构化润滑材料提供了新思路。 3. 基于机械变形和界面润滑耦合的仿生类食道水凝胶管器件的制备及其摩 擦、固体驱动性能研究。人在吞咽食物的过程中，由于受食道壁肌肉变形和界面黏液的协同作用，食物可以顺利的从口腔经食道进入胃中。基于此，本研究利用表面催化引发自由基聚合方法制备了温度响应型中空水凝胶管，再通过亚表面引发原子转移自由基聚合法在水凝胶管内表面接枝了阴离子型聚电解质刷，得到了具有温度响应特性的层状水凝胶管驱动器。在外界温度刺激下，水凝胶管发生机 械收缩变形，而其内表面仍然保持优异的水润滑性能。利用近红外灯照射掺杂Fe3O4 纳米粒子的水凝胶管驱动器，可以实现腔体的定点收缩， 从而产生强的流体静压或机械挤压力，在界面低摩擦力的辅助下球形固体可以在复杂形状管内移沿任意方向移动，突破受限固体在变形管腔中的自驱动行为。 本研究结果为医疗 器械领域开发新型药物（食物）输运模型与器件提供了理论和技术指导。 4. 仿生高承载/低摩擦层状润滑材料的表面涂层化修饰。 传统的水凝胶或亲水性聚合物材料水化能力较高，其力学承载性能较差，如何将仿生高承载/低摩擦层状润滑材料可控且牢固修饰在基材表面是一个巨大挑战。受贻贝水下湿黏附机制的启发，首先制备了基于多巴胺单体的黏附聚合物，并在聚合过程中，加入固化剂，使物理缠绕的分子链发生原位化学交联，即可实现在不同形状及材质（金 属、玻璃、聚合物、木头、软骨等）表面修饰黏附性功能涂层；稳定性测试实验表明：黏附性功能涂层具有优异的抗溶胀特性，涂层经水下长期浸泡不会发生脱落现象，且表观形貌完整，展现了优异的抗水和界面湿黏附性能。在此基础之上，利用亚表面引发原子转移自由基聚合方法，在黏附性功能涂层表面可控生长聚离子型高分子刷，可实现了其表面的水润滑改性，进而获得具有优异界面黏附特性的仿生双层润滑涂层，在高载荷下涂层能够呈现出较低摩擦系数。本研究结果将为医疗器械表面可控修饰高性能亲水润滑涂层提供了新的研究思路。 |
| 语种 | 中文 |
| 页码 | 134 |
| 内容类型 | 学位论文 |
| 源URL | [http://ir.licp.cn/handle/362003/29118]  |
| 专题 | 兰州化学物理研究所_固体润滑国家重点实验室 |
| 作者单位 | 1.中国科学院兰州化学物理研究所; 2.中国科学院大学 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 刘辉. 仿生结构化软物质润滑材料的构筑及其摩擦学性能研究[D]. 北京. 中国科学院大学. 2021. |
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