深海环境的高压、高腐蚀性，一直是限制聚合物复合材料在海洋领域应用的关键难题。近日，中国科学院兰州化学物理研究所的科研团队，围绕深海环境下聚合物复合材料的损伤机制与性能提升开展系统性研究，取得了重要进展，而这一成果的诞生，离不开多款专业科研仪器的助力。
碳纤维织物增强聚合物复合材料凭借优异的比模量与比强度，在深海装备、水下机器人等领域展现出巨大的应用潜力。但这类材料内部的大尺度连续纤维 — 树脂界面，在深海高压环境下，极易成为海水渗透与扩散的快速通道，导致材料性能下降，这一问题严重制约了其在深海环境中的进一步应用。
中国科学院兰州化学物理研究所的科研团队通过研究揭示，深海环境对聚合物复合材料的主要损伤形式，表现为树脂基体微缺陷的生成与界面层厚度的显著增加。针对这一深海特异性损伤机理，团队创新性地提出了强韧化界面增强策略。
团队采用真空辅助压力渗透技术，通过专用的真空辅助压力渗透设备，在碳纤维织物表面成功构筑了一种 “刚 — 柔” 并济的杂化强韧界面结构。
该结构以聚醚酰亚胺为柔性相，发挥柔性粘接与应力缓冲作用；以纳米金刚石和二维 MXene 为刚性相，提供物理阻隔与机械互锁点，协同抑制海水渗透扩散、促进应力高效传递。
碳纤维织物表面强韧界面结构设计示意图
为验证这种界面设计的效果，团队使用高压旋转摩擦试验机进行模拟深海高压环境的原位摩擦磨损测试。这款仪器通过 “双级增压 + 闭环控压” 技术，可精准复现 0-50MPa 的高压环境，压力控制精度达到 ±0.05MPa，能够准确模拟 1000 米深海的高压环境（约 10MPa），同时其钛合金一体锻造的高压腔体，能避免高压下腔体形变对测试结果的影响，确保数据的准确性。
测试结果表明，这种有机 / 无机协同的界面设计，能显著提升复合材料在极端环境下的耐磨损性能。在模拟 1000 米深海压力下，制备的复合材料的摩擦系数与磨损率均为目前文献报道的同类材料最低值，为解决深海运动部件材料损伤防护与应用提供了新思路。
相关研究成果已发表在《Composites Part A: Applied Science and Manufacturing》和《Polymer Degradation and Stability》上。研究工作得到国家自然科学基金、国家重点研发计划项目、中国科学院战略性先导科技专项等的支持。
