石墨烯增强的固体润滑薄膜制备

石墨烯增强的固体润滑薄膜制备材料研1203Z1205020石南起层状物固体润滑薄膜是固体润滑薄膜中最常用的形式，固体润滑是指利用某些具有特殊晶体特性的固体材料来改善接触表面之间摩擦磨损程度的润滑方式，其突出的优点是能满足流体润滑无法满足的某些特殊工况对润滑的要求，如高温、高负荷、超低温、超高真空、强氧化、强辐射等。固体润滑材料可以块状或粉末的形式使用，但更多的是以薄膜（涂层）的方式使用。固体润滑薄膜在摩擦时固体润滑剂在对偶材料表面形成转移膜，使摩擦发生在润滑剂内部，从而减少摩擦，降低磨损。润滑膜一方面可以防止对偶材料表面直接接触，另一方面可以减小接触薄层的剪切强度，从而显著减小摩擦系数。固体润滑材料类型可分为层状物、聚合物、软金属和无机化合物4类。层状物（硫化亚铁、二硫化钼、石墨、二硫化钨）固体润滑薄膜是常用的固体润滑材料，具有良好的摩擦学性能。在航空、航天、汽车工业等领域都有应用，但由于起主要作用的固体润滑相本身的差别，这4种固体润滑薄膜有着各自的最适合用途和使用条件要求。在固体润滑剂中，石墨以其来源广、价格低、固体润滑效果好等特点，大量应用于工业生产已有上百年的历史。其固体润滑机理及工业实用效能已得到大量的研究及验证。从碳原子的结构分析，石墨材料本身就存在着润滑性，同一层面的碳原子间的距离很近，为0.142nm，层面之间碳原子的距离为0.3345nm。根据石墨的晶体结构可知，同一平面网层每个碳原子和相邻的三个碳原子间的距离都相等，构成正六边形环。由于每个碳原子除与同一网层平面内的三个碳原子以强共价键结合外，还要与临近网层中的碳原子以较弱的次价键相结合，因此网层之间有较弱的力将其结合在一起。由于原子间的距离愈大，其结合力要比同一层内碳原子间的结合力小100多倍，所以层与层之间的结合就比较松。因此石墨在受到外力作用时层面容易发生解理，出现解理面（基面），所以石墨具有润滑的性质。目前常用的石墨涂层制备方法是热喷涂法。为了拓展固体润滑石墨涂层的制备方法，利用溶胶凝胶法在45钢基体上制备了4种不同质量分数的石墨涂层。石墨烯是单层碳原子紧密排列而形成的一种炭质新材料，具有单层二维蜂窝状晶格结构，是目前世界上公认的最薄的二维材料(厚度只有0.335mm)。由于其特殊的微观结构，石墨烯具有极好的力学、热导性和电学性能，有望在微电子、信息、能源、材料和生物医药等领域具有重大的应用前景。但是，结构完整的石墨烯化学稳定性高，很难将其在器件上进行组装，从而限制了其深入应用。而基于氧化石墨烯表面活性官能团开展的石墨烯功能化研究为其表面组装和修饰提供了可能。天然石墨不亲水也不亲油，由天然石墨剥离所得的片层石墨烯如果在还原之前不经过化学处理，在还原过程中也会很快地聚集在一起，重新生成块状石墨，很难得到所想要的片层石墨烯。即使得到少量的片层石墨烯也会具有不亲水、不亲油的性质，这样的性质同样使其不能很好地与其它材料进行复合，限制了石墨烯的广泛应用，其复合材料也不能充分发挥石墨烯优越的性能。石墨烯微片（GrapheneNanoplatelets)是指碳层数多于10层、厚度在5-100纳米范围内的超薄的石墨烯层状堆积体。在有的文献中，也称为GrapheneNanosheets。石墨烯微片保持了石墨原有的平面型碳六元环共轭晶体结构，具有优异的机械强度、导电、导热性能，以及良好的润滑、耐高温和抗腐蚀特性。相对于普通石墨，石墨烯微片的厚度处在纳米尺度范围内，但其径向宽度可以达到数个到数十个微米，具有超大的形状比（直径/厚度比）。可以提高塑胶的导热及散热性能、塑胶导电及抗静电改性、增强塑胶的强度、改善塑胶的耐磨、润滑性能及耐腐蚀性。也可采用氧化石墨烯与固体润滑薄膜复合的方式。氧化石墨烯是石墨烯的氧化物，其颜色为棕黄色，市面上常见的产品有粉末状、片状以及溶液状的。氧化石墨烯薄片是石墨粉末经化学氧化及剥离后的产物，氧化石墨烯是单一的原子层，可以随时在横向尺寸上扩展到数十微米，因此，其结构跨越了一般化学和材料科学的典型尺度。氧化石墨烯可视为一种非传统型态的软性材料，具有聚合物、胶体、薄膜，以及两性分子的特性。氧化石墨烯长久以来被视为亲水性物质，因为其在水中具有优越的分散性，但是，相关实验结果显示，氧化石墨烯实际上具有两亲性，从石墨烯薄片边缘到中央呈现亲水至疏水的性质分布。因此，氧化石墨烯可如同界面活性剂一般存在界面，并降低界面间的能量。氧化石墨烯是一种性能优异的新型碳材料，具有较高的比表面积和表面丰富的官能团。氧化石墨烯复合材料包括聚合物类复合材料以及无机物类复合材料更是具有广泛的应用领域，因此氧化石墨烯的表面改性成为另一个研究重点。