Page 129 - 摩擦学学报2025年第9期

第 9 期 张欣悦, 等: 有序纤维增强水凝胶的构建及其力学、摩擦学性能研究 1383

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形成了更加致密和稳固的网络结构. 其次，经交错温度 溶胀比为2.0，渗透系数为5.84×10 m /(N·S)，如图4(c)
场诱导，mCF交错有序排列(Stage Ⅱ)，mCF表面的-OH 和(d)所示，mCF表面含有大量的亲水官能团(-OH等)，
与各聚合物链的-CONH 、-OH和-COOH形成强氢键 增强了水凝胶网络的亲水性，渗透系数降低，而有序
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结合，使水凝胶结构有序致密，强度增加(Stage Ⅲ). 分布的网络结构更利于液体流动，渗透系数增大.
此外，增加结晶度可有效提高水凝胶的机械性能 [18, 28] ， 2.3 交错定向3PC-C gel压缩性能
退火处理可使水凝胶内部氢键和PVA结晶域增加 [29-30] ， 如图5所示，交错定向3CF 3PC-C gel的压缩强度

形成强度更高的交错有序网络(Stage Ⅳ). (10.1±0.67 MPa)和压缩模量(7.5±0.43 MPa)高于不定
2.2 交错定向3PC-C gel理化性能 向3CF 3PC-C gel [图5(a)和(b)]，表明了CF的加入和交
图4(a)所示为不同3PC-C gel的截面微观形貌的 错有序的网络结构能显著提高3CF 3PC-C gel的承载
SEM照片，可以看出，各复合水凝胶内部含有大量椭 特性. 图5(c~h)表明交错定向3CF 3PC-C gel具有优异
圆型孔洞，呈现蜂窝状多孔结构，且mCF在基体中均 的机械耗散能力，其能量耗散主要源于交错有序结构
匀分布，与基体结合紧固. mCF的加入明显降低了网 的可逆弹性变形和各聚合物链、CF以及结晶域间的氢键
络结构的空隙尺寸，且交错定向后的孔隙最小约为 破坏. 应变增加，应力松弛率减小，应变60%时，压缩强度
0.1~0.5 μm，沿温度场方向拉伸，形成有序结构. 如图4(b) 为12 MPa，应力松弛率约28.9% [图5(i)]，交错定向3CF
所示，交错定向3CF 3PC-C gel的含水率为51%. 平衡 3PC-C gel抗压缩性能好，可快速进行网络恢复和重建.

12 (a) 3CF-unoriented 10.1 8 7 (b) Compressive 7.48 2.0 10 8 (c) 0CF-unoriented
Compressive stress/MPa 8 6 4 2 8.3 Compressive modulus/MPa 6 5 4 Toughness 4.82 1.6 Toughness/(MJ/m 3 ) Compressive strength/MPa 6 4 2 3CF-oriented
0CF-unoriented
10
1.8
3CF-unoriented

modulus
3CF-oriented
1.4
5.8
1.2
1.0
0
3CF-unoriented
0 10 20 30 40 50 3 2 2.57 3CF-oriented 0.8 0 0 10 20 30 40 50
Strain/%
Strain/% 0.55 0CF-unoriented 20% 1.2 (f) Energy dissipation 1.13 0.6

Energy dissipation/(MJ/m 3 ) 0.6 0.416 5 coefficient 0.518 2 0.50 Energy dissipation coefficient Compressive stress/MPa 10 8 6 4 2 40% Energy dissipation/(MJ/m 3 ) 1.0 Energy dissipation 0.5 Energy dissipation coefficient
Energy dissipation
(d)
(e)
0.8
12
Energy dissipation

0.633 4
coefficient

50%
0.8
0.4
60%
0.6
0.45
0.52
0.4
0.3
0.4
0.40
0.2
0.2
0.2
0.2
0.0
3CF-unoriented
0CF-unoriented 10 8 3CF-oriented 0.35 10.0 0 (h) Strain/% 0.6 0.0 0.024 30 Strain/% 50 60 0.1
40
20
0 10 20 30 40 50 60 70
70
12 (i)
(g)
Compressive stress/MPa 8 6 4 2 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Compressive stress/MPa 6 4 2 0 0 10 20 30 40 50 60 Maxmium stress/MPa 9.8 Energy dissipation 0.5 Energy dissipation (MJ/m 3 ) Stress/MPa 10 8 6 4 2 40% 50% 60% 60 Stress relaxation rate/%
10
Maxmium stress
50
9.6
Strain/%
0.4
40
9.4
0.3
30
0
9.0
0 10 10 20 30 40 50 60 9.2 0 2 4 6 8 10 0.2 0 0.0 20% 3.0 4.5 6.0 7.5 20
1.5
Strain/% Cycles Time/10 s
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Fig. 5 Compressive properties of 3PC-C gel: (a) the compresive stress, (b) compression modulus and toughness, (c) loading-
unloading curves and (d) energy dissipation and energy dissipation coefficient of different 3PC-C gels under 50% strain; (e) the
cyclic compression under different strains, (f) energy dissipation and energy dissipation coefficient, (g) 10 cycles compresive
stress, (h) maximum stress and energy dissipation and (i) the compresive stress relaxation rate of the staggered
3CF-oriented 3PC-C gels under different strains
图 5 3PC-C gel的压缩性能：不同水凝胶在50%应变下的(a) 压缩应力-应变曲线、(b) 压缩模量和压缩韧性、(c) 压缩加载-卸载
曲线和(d) 耗散能和耗散系数；交错定向3CF 3PC-C gel在不同应变下的(e) 循环应力-应变曲线、(f) 耗散能与耗散系数、
(g) 10次循环压缩应力-应变曲线、(h) 最大应力与耗散能以及(i) 不同应变下的应力松弛率