Page 124 - 摩擦学学报2025年第9期

第 45 卷 第 9 期 摩擦学学报（中英文） Vol 45 No 9
2025 年 9 月 Tribology Sept, 2025

DOI: 10.16078/j.tribology.2024116 CSTR: 32261.14.j.tribology.2024116
张欣悦, 陈琴, 陈凯, 冯海燕, 冯存傲, 李晓伟, 张德坤. 有序纤维增强水凝胶的构建及其力学、摩擦学性能研究[J]. 摩擦学学报
（中英文）, 2025, 45(9): 1378−1389. ZHANG Xinyue, CHEN Qin, CHEN Kai, FENG Haiyan, FENG Cunao, LI Xiaowei, ZHANG
Dekun. Construction and Mechanical/Tribological Properties of Ordered Fiber Reinforced Hydrogel[J]. Tribology, 2025, 45(9):
1378−1389.

有序纤维增强水凝胶的构建及其力学、

摩擦学性能研究

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1
张欣悦 , 陈 琴 , 陈 凯 , 冯海燕 , 冯存傲 , 李晓伟 , 张德坤 1*
1
1
1
1*
(1. 中国矿业大学 材料与物理学院，江苏 徐州 221116；
2. 中国矿业大学 化工学院，江苏 徐州 221116)
摘 要: 水凝胶具有高含水量、优异的渗透性和生物相容性，被广泛应用于生物医学领域. 但传统水凝胶的结构单
一，力学强度和润滑性能无法同时满足，对于更恶劣条件要求的高强韧水凝胶，例如软骨和皮肤的替代品仍然是
1个很大的挑战. 因此本研究中通过分子网络设计，结合温度场诱导定向和纤维增强技术，开发1种高含水、高强度、
低摩擦和抗疲劳的有序结构增强3PC-C gel (PVA-PAA-PAAm-CF composite hydrogel)，该水凝胶具有交错有序取向
的蜂窝状网络结构，孔隙致密，表现出显著的力学结构增强效果，其压缩强度为10.1 MPa、压缩模量为7.5 MPa、拉
3
伸强度为11.4 MPa、拉伸模量为28.6 MPa、断裂韧性为34 MJ/m . 此外交错有序的网络结构和CF为液相的挤出提供
良好的通道，为摩擦表面供给润滑，降低摩擦，其滑动摩擦系数为0.038，相对于不定向3PC-C gel (0.046)降低了18%.
且摩擦系数表现出随载荷的增加，先减小后增大，随滑动速度的增加逐渐减小的趋势. 同时有序结构增强3PC-C gel
还表现出优异的抗裂纹扩展和抗压缩疲劳性能，以及更优的摩擦学稳定性，在经历100万次疲劳压缩后，其压缩应变
仅降低1.9% (14.0%~15.9%)，应变值明显低于不定向水凝胶[不定向3CF (18.5%~20.8%)]和0CF水凝胶(21.1%~22.24%)，
这也进一步验证了CF (carbon fiber)、交错有序结构显著增强了复合水凝胶的机械耗散、自恢复和动态承载能力. 综
上，有序结构增强3PC-C gel具有更高的机械强度和更优的摩擦学性能，可以拓展水凝胶在生物医学、软材料设备领
域中的新兴应用.
关键词: 水凝胶; 有序结构; CF; 高强度; 低摩擦
中图分类号: TH117.1 文献标志码: A 文章编号: 1004-0595(2025)09–1378–12

Construction and Mechanical/Tribological Properties of

Ordered Fiber Reinforced Hydrogel

1*
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1
ZHANG Xinyue , CHEN Qin , CHEN Kai , FENG Haiyan ,
1 1 1*
FENG Cunao , LI Xiaowei , ZHANG Dekun

Received 5 June 2024, revised 12 July 2024, accepted 15 July 2024, available online 30 September 2025.
*Corresponding author. E-mail: cumtck@cumt.edu.cn; E-mail: dkzhang@cumt.edu.cn, Tel: +86-13952207958.
This project was supported by National Natural Science Foundation of China (52335004, 52305238), Natural Science Foundation of
Jiangsu Province (BK20211243), the Fundamental Research Funds for the Central Universities (2024QN11044) and the Open Fund
of State Key Laboratory of Solid Lubrication, Lanzhou Institute of Chemical Physics, Chinese Academy of Sciences (LSL-2107,
LSL-2201).
国家自然科学基金项目(52335004, 52305238)、江苏省自然科学基金项目(BK20211243)、中央高校基本科研业务费专项资金
(2024QN11044)和中国科学院兰州化学物理研究所固体润滑国家重点实验室开放基金(LSL-2107, LSL-2201)资助.