《Composites Communications》：Functionalized BNNS@ Kevlar Fibers for Efficient Heat Dissipation and Enhanced Tribological Behavior in Resin-Based Composites
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本研究通过没食子酸介导在凯夫拉纤维表面均匀负载层状氮化硼纳米片，制备了新型复合热管理单元。实验表明，当氮化硼含量为2.0 wt%时，摩擦材料热导率在200℃下提升37.5%，磨损率降低47.1%，摩擦系数稳定且机械性能达标，有效解决了高温制动下热累积问题。
彭成|吴一琳|苟赵曦|杨继峰|刘琪宇|王文山|费杰|齐乐华
中国西北工业大学陕西纤维增强轻质复合材料重点实验室，陕西西安710072
摘要
碳纤维增强聚合物（CFRP）摩擦材料在高温服役条件下面临热管理挑战，这可能导致局部过热、磨损加速和性能下降。为了解决这个问题，本研究设计并制备了氮化硼纳米片涂层凯夫拉纤维（BNNS@Kevlar），作为功能性的导热单元，用于集成到树脂基摩擦材料中。通过使用单宁酸（TA）作为粘合介质，将BNNS均匀沉积在凯夫拉纤维表面。系统地表征了不同BNNS含量（0–4 wt%）的复合材料。结果表明，BNNS@Kevlar的引入显著提高了复合材料的导热性和稳定性。在最佳BNNS含量2.0 wt%时，复合材料在200 °C下的导热性提高了37.5%，同时在高温滑动条件下的磨损率降低了47.1%。此外，摩擦系数保持稳定，热衰减得到抑制，所有机械性能均符合相关行业标准。这项工作展示了一种有效策略，可以同时改善先进制动应用中摩擦材料的热管理和摩擦性能。
引言
碳纤维增强聚合物（CFRP）摩擦材料因其高比强度、高比模量和优异的摩擦性能，被广泛应用于航空航天、铁路运输和工程机械领域作为制动摩擦部件[1]、[2]、[3]、[4]、[5]。随着各种动力机械和运输设备向更高速度、更大载荷和更长使用寿命的发展，摩擦材料作为确保制动系统安全可靠运行的关键部件，其重要性日益增加[6]、[7]。然而，传统的树脂基摩擦材料导热性相对较差。在长时间的高温服役条件下，难以快速散热，常常导致局部过热[8]、[9]。这会加剧摩擦和磨损，降低机械性能，最终影响制动系统的稳定性和可靠性，限制了它们在更苛刻环境中的应用[10]。因此，摩擦材料的热导性已成为一个重要的研究焦点[11]、[12]、[13]。目前，制动系统中使用的商业摩擦材料通常基于树脂基复合材料，其中添加了碳纤维、芳纶（凯夫拉）纤维、陶瓷纤维以及各种功能填料（如摩擦改性剂（例如氧化铝、赤铁矿、氟石粉）和润滑剂（例如石墨）。树脂基体，通常是酚醛树脂或其改性变体，提供结构完整性并使各部件结合在一起。
聚合物基体的固有低导热性（通常在0.1–0.2 W/(m·K)范围内）是一个显著挑战[14]、[15]。这种较差的热性能主要源于聚合物分子结构中的强声子散射，以及材料缺陷和晶界的影响，这些因素大大缩短了声子的平均自由路径[16]、[17]、[18]。尽管存在这些热限制，聚合物仍因其一系列理想的性能而成为摩擦复合材料的理想基体材料。这些性能包括优异的粘附性，能够牢固地粘合各种功能部件；出色的柔韧性，有效缓冲摩擦过程中的冲击；以及稳定的化学性质，适应多种摩擦环境[19]、[20]、[21]、[22]。
引入高导热性的纳米填料，如碳纳米管（CNTs）[23]、石墨烯[24]和氮化硼（BN）[25]、[26]，可以直接提高摩擦材料的热导性。然而，这些纳米填料容易聚集，简单的物理混合往往只能带来有限的增强效果。例如，尽管CNTs的理论导热性高达2000–6000 W/(m·K)，但将其掺入聚苯乙烯中后，复合材料的导热性通常低于0.7 W/(m·K)[27]、[28]、[29]。石墨烯是一种优良的导电体，将其掺入摩擦材料中可能会导致导电性增加，这在制动系统中是不希望的，因为静电放电或电偶腐蚀可能带来安全风险。在现代电磁制动系统中，精确控制电磁场和可靠的电气绝缘对于稳定的制动性能和系统安全至关重要。相比之下，BNNS具有宽禁带（约5.9 eV）和较高的电阻率，使其成为保持复合材料电气绝缘的理想填料。随后采用了表面功能化或导电填料的分子修饰策略，以减少界面热阻并改善填料的分散性和相容性。例如，朱等人使用多巴胺（PDA）涂层氮化硼（BN）改性了摩擦材料。改性样品的导热性达到1.08 W/(m·K)，比未改性材料提高了161.4%，磨损率降低了74.1%，显示出显著的效果[30]。
单宁酸（TA）是一种天然丰富的多酚化合物，含有大量的酚羟基，具有类似于贻贝粘附蛋白的强粘合性能[31]、[32]、[33]、[34]。它可以粘附在几乎任何材料表面上进行改性。与多巴胺相比，TA的成本相对较低，使其在大规模应用中更具经济可行性[35]、[36]。郭等人用TA和六甲基二硅氮烷改性了BN，并将其掺入硅橡胶中。改性复合材料的导热性达到0.735 W/(m·K)，比纯硅橡胶提高了六倍，同时粘度显著降低[37]。
受这些进展的启发，本研究提出了一种策略，通过构建氮化硼纳米片（BNNS）涂层凯夫拉纤维（BNNS@Kevlar）复合导热单元来提高树脂基摩擦材料的热和摩擦性能。利用凯夫拉纤维的亲水性和TA的粘合性能，实现了BNNS在纤维表面的均匀沉积。然后将这些BNNS@Kevlar单元整合到CFRP摩擦材料系统中。本研究系统地研究了不同BNNS含量对复合材料微观结构、机械性能、导热性和宽温度范围摩擦行为的影响。目标是开发出具有平衡热管理和机械可靠性的高性能摩擦材料，以满足苛刻的制动应用要求。
材料
凯夫拉浆料纤维（杜邦中国控股有限公司）长度为2–4 mm，直径为12.1 ± 1.0 μm，密度为1.41 g/cm3，拉伸强度约为3.0 GPa。硫酸钙 whiskers（郑州博凯利生态工程有限公司）的长度范围为30–200 μm，直径为1–8 μm。复合系统由三个主要组分组成：粘合剂（基体）、增强纤维和功能填料。粘合剂（基体）：腰果壳油改性
BNNS@Kevlar纤维的表征
图3(a–f)展示了不同BNNS含量（0.5 B@K、2.0 B@K和4.0 B@K）的BNNS@Kevlar纤维复合单元的SEM图像，以及相应的EDS元素分析结果。BNNS在凯夫拉纤维表面的分布状态明显依赖于BNNS含量，经历了三个不同的阶段：孤立岛屿分布、相互连接的网络分布和聚集。
如图3(a)和3(b)所示，0.5 B@K
结论
在这项工作中，将BNNS@Kevlar复合导热单元引入树脂基摩擦材料中，以调节热传输和高温摩擦行为。主要结论总结如下：
(1)在适当的含量下，BNNS均匀涂覆在凯夫拉纤维表面，形成了一个层次化的导热网络，显著提高了散热效果和高温下的热稳定性。
(2)最佳的BNNS含量使得
CRediT作者贡献声明
彭成：撰写 – 原始草稿。杨继峰：研究、数据管理。刘琪宇：研究、数据管理。吴一琳：方法学、研究、数据分析、数据管理。苟赵曦：研究、数据管理。齐乐华：监督、资金获取。王文山：监督。费杰：撰写 – 审稿与编辑、监督、资金获取
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能会影响本文所述的工作。
利益冲突声明
? 作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能会影响本文所述的工作。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（52172102）、国家科技创新领军人才计划、国家重点研发计划（2023YFE0200700）以及陕西省重点科技创新团队（2022TD-31）的支持。
