当前，精密传动部件、机器人关节和微驱动系统等智能装备对界面各向异性摩擦功能提出了迫切需求。与金属材料通过激光纹理或沟槽阵列等表面加工技术实现各向异性摩擦不同，在采用类似方法加工环氧树脂（EP）基聚合物材料时存在熔融变形、快速磨损、耐久性差及可靠性不足等问题，难以实现各向异性摩擦功能。
基于此，中国科学院兰州化学物理研究所润滑材料全国重点实验室功能润滑材料课题组基于定向冷冻铸造与真空浸渍协同技术开展各向异性石墨烯气凝胶/环氧树脂（GA/EP）复合材料的设计制备与摩擦学性能研究工作。
图1. 各向异性GA/EP复合材料的制备、摩擦学性能与界面润滑机制研究
结果表明，GA/EP复合材料的热传导、力学和摩擦学性能均与气凝胶的微观取向高度相关（图1）。GA/EP复合材料顶部（T）接触界面具有高度取向的三维导热网络结构，表现出高弹性模量和最优润滑性能（摩擦系数低至0.06）；平行石墨烯冰晶生长的横向方向（LA）在滑动过程中摩擦应力稳定在20-40 atm，形成连续润滑界面，摩擦系数稳定在0.09；在垂直的径向方向（LR）上，连续滑动破坏了石墨烯片的取向，导致摩擦界面无序化，摩擦应力骤增至50,000-100,000 atm，摩擦系数急剧升高，与LA方向差异达226%，并引发石墨烯片迁移和EP分子链断裂，导致磨损加剧。分子动力学模拟和实验结果相吻合，证实LA方向的定向石墨烯片通过减少GA/EP与滑块间的相互作用能，形成剪切友好界面；而LR方向因石墨烯片排列被破坏，界面阻力激增。这种通过内部结构设计实现的摩擦各向异性EP复合材料在机器人机械臂抓取-传递-释放系列操作、精密传动等应用场合具有独特优势，可满足对动态摩擦系数的差异化需求，推动精密装备向自适应、长寿命和智能化方向的快速发展。
该研究工作以“Frictional anisotropy behavior of graphene oxide aerogel/epoxy composite and its friction mechanism exploration”为题发表于Composites Part B（2026, 311: 113191）上，博士研究生高煌为论文第一作者，杨亚文助理研究员和王金清研究员为共同通讯作者。
上述研究工作得到了中国科学院基础与交叉前沿科研先导专项、国家自然科学基金面上项目以及兰州化物所润滑材料全国重点实验室的支持。
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2025.113191
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