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2018年石墨烯復合材料的研究進展 當前位置: 網站首頁 > 新聞資訊 > 行業新聞

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石墨烯的納米摩擦性能


1.1石墨烯的層間滑動摩擦


國際上一些科研團隊通過原子力顯微鏡/摩擦力顯微鏡(AFM/FFM)試驗,以及第一性原理、分子動力學和有限元計算對石墨烯的表面黏著、納米摩擦和磨損性能開展了深入的研究工作。


理論研究發現石墨烯層間的納米摩擦力主要取決于石墨烯層間的晶格公度性(錯配角度);其中,非公度(晶格失配)形式堆垛的石墨烯的層間滑動摩擦力非常小,甚至出現超低摩擦(超潤滑)[1]。


另外除了堆垛形式、相對滑動方向、尺寸、缺陷和層間距以外,石墨烯的層數也顯著影響石墨烯層間的摩擦力,經研究發現單層石墨烯的摩擦力相對較高,且表現出黏-滑特征;而多層石墨烯的摩擦力很低,且非常穩定。


1.2石墨烯表面滑動摩擦


除了針對石墨烯層間的滑動摩擦力,更多的研究考察了探針在石墨烯表面滑動時的納米摩擦力。目前,石墨烯表面納米摩擦力隨其層數變化的摩擦機理主要包括電子-聲子耦合機理、面外折皺機理、彈性變形的能量耗散機理、剪切變形機理4個方面。


1.2.1電子-聲子耦合機理[1]


研究表明,SiC表面外延生長的單/雙層石墨烯膜的原子黏-滑特性、晶格取向和表面接觸勢(橫向接觸剛度)都相同,但在各種試驗參數下(載荷、偏壓、探針尖材料),外延生長的單層石墨烯膜的摩擦力是雙層石墨烯膜的兩倍。


其原理為外延生長的單層石墨烯膜,電子-聲子耦合產生的電子激勵能夠有效地阻尼晶格振動,從而只能通過電子激勵耗散大部分能量;而外延生長的雙層石墨烯膜的電子-聲子耦合幾乎消失,因而未受阻尼的晶格振動增加了能量耗散,從而使其比單層石墨烯膜具有更低的表面摩擦力。


1.2.2面外折皺機理


現機械剝落的石墨烯的摩擦力與石墨烯-基底間的結合狀態緊密相關。


①基底弱結合或自支撐的石墨烯表面的摩擦力隨石墨烯層數的增加而減少,且不受FFM探針掃描速率,施加載荷和探針尖材料的影響,當石墨烯層數增加至5層時,達到與塊體石墨相似的固體潤滑性能[2]。


②強結合在基底表面的石烯的摩擦學性能不受層數的影響,并具有與塊體石墨相似的摩擦性能。這是因為石墨烯與基底間的強結合抑制了石墨烯固有的表面波紋,并顯著減小了折皺效應。


1.2.3彈性變形的能量耗散機理


耗散機理如下:當探針掃描時,針尖后部的石墨烯原子向上移動,而針尖前部的石墨烯原子向下運動,雖然變形能的凈變化為零,但石墨烯原子的彈性位移所產生的原子動能轉變為晶格振動[2],發生能量耗散。


1.2.4剪切變形機理


研究發現掃描探針在石墨烯表面的黏-滑運動使底層產生了周期性的剪切位移-恢復現象[3]。石墨烯膜越厚,其表層處于更長的黏著相,即剪切位移越大,而對于更薄的石墨烯膜,強的恢復力使表層快速縮回,探針迅速跳至下一個最小勢能位,從而產生更小的摩擦力,因此單層石墨烯的表面摩擦力最小。


2
石墨烯潤滑材料摩擦機理


石墨烯具有特殊的二維納米層狀結構、高的機械強度和導熱性,并且是碳質固體潤滑材料的基本結構單元。實驗研究表明,隨著石墨烯的添加,石墨烯不斷覆蓋在摩擦副表面,摩擦副表面的粗糙度被石墨烯表面的粗糙度所替代,所以潤滑機理逐漸趨向薄膜潤滑,潤滑油力學性能有所提高[4]。


當石墨烯質量分數不斷增加時,石墨烯在摩擦副表面堆積,阻斷潤滑油膜的形成,潤滑油的摩擦性能反而下降。


綜合考慮干摩擦與薄膜潤滑機理,當只有潤滑油基礎油工作時,其潤滑處于臨界狀態,同時存在干摩擦與薄膜潤滑;當有適當質量分數的石墨烯參與潤滑時,薄膜潤滑占主導地位,摩擦因子較低;當石墨烯質量分數較高時,石墨烯間的干摩擦作用凸顯,且逐漸占據主導地位,摩擦因子不斷上升[4]。


2.1石墨烯納米薄膜的摩擦學性能


石墨烯本身具備的自潤滑性能使其可用于制備石墨烯潤滑膜。采用機械剝落法可制備由數層碳原子基平面構成的多層石墨烯膜,其表面表現出比裸露的Si表面更小的摩擦力[5],而磨損機理可認為是內層碳原子之間化學鍵的破壞和石墨烯膜表面的修剪造成的。


研究表明,較裸露的銅箱而言,石墨烯沉積的銅薄膜具有更高的接觸角和更低的摩擦系數,可用作高性能潤滑膜[6]。此外,也可以通過原位還原法和組裝法將石墨烯潤滑膜添加到不同的基底上,發揮其優異的摩擦性能。


2.2石墨烯潤滑油添加劑


從氧化石墨中剝離出高度去氧化的超薄石墨烯,然后通過超聲分散法將石墨烯均勻分散在原油中制備出潤滑油.當石墨烯的質量濃度為0.025mg/mL時,其摩擦系數和磨痕直徑[6]分別減小了80%和33%。采用硬脂酸和油酸對石墨烯片進行改性.并將改性石墨烯添加進潤滑油中,發現當改性石墨烯添加量為0.075%(質量分數)時,潤滑劑的減磨耐磨性能達到最好。


由于改性石墨烯能引起兩接觸面的滾動效應,并在摩擦表面形成潤滑膜,從而使潤滑油耐磨性得到提高。石墨烯在油基納米流體中的優異耐磨性主要歸因于其極大的機械強度和拓撲結構。


3
石墨烯納米潤滑材料的潛力


目前的潤滑油市場中,傳統潤滑油依然占據主導地位,但由于其潤滑能力有限以及添加含硫、磷、氯等元素的添加劑對環境造成嚴重污染,無法滿足現今的工作需求。而石墨烯因納米材料具有減摩抗磨機理[7]且不含有污染元素而成為了潛在的高性能納米潤滑材料。


(1)碳納米潤滑油添加劑[8]粒徑小,在基礎油中分散均勻,并可以填充摩擦副表面的劃痕,起到修復作用;而且納米顆粒以膠體的形式分散在油中,不易形成堵塞。


(2)石墨烯具有原子薄的厚度和低剪切強度的層狀結構,作為各種材質微納器件的抗黏、減摩防護薄膜,單層、三層及多層石墨烯基納米潤滑薄膜能夠顯著減小基底表面的摩擦系數和耐久壽命。


(3)高的機械強度和熱導率使得石墨烯作為潤滑油、水、離子液體等介質的潤滑抗磨添加劑,在摩擦界面形成的石墨烯摩擦吸附膜和對偶表面轉移膜,阻止了摩擦副的直接接觸,顯著提高了潤滑劑的承載性能和摩擦副的抗磨性色[8]。


(4)選擇氧化石墨烯作為聚合物、陶瓷等材料的填料,石墨烯顯著提高了基體材料的力學性能,并通過形成的自潤滑和高強度的連續轉移膜減小了聚合物基體的摩擦系數,大幅提升了基體材料的抗磨性能,但并沒有研究發現可以改善陶瓷材料的潤滑性能。


4
石墨烯基復合潤滑材料研究方向


現今,科學界預言“將徹底改變21世紀,掀起一場席卷全球的顛覆性新技術革命”的石墨烯正在慢慢發揮作用,在未來石墨烯基復合潤滑材料的研究將朝著以下幾個方向發展[9]:


(1)各種功能化石墨烯的納米摩擦和納米磨損機制的理論計算和實驗研究,如氧化、氟化、氮化、硅烷化,胺基化石墨烯;


(2)石墨烯的非共價功能化及原位還原技術研究保持石墨烯固有力學性能和摩擦學性能的同時,提高石墨烯在各種溶劑、潤滑劑、聚合物等材料中的分散性;


(3)石墨烯基多層組裝體系在各種基底表面可控構筑研究;


(4)石墨烯與潤滑劑間的摩擦化學機理研究;


(5)石墨烯增強復合材料在極端苛刻以及特殊環境下的摩擦學性能的研究,如低速重載、高溫環境、液體環境等[10];


(6)石墨烯增強無機非金屬材料的摩擦學性能優化研究。


雖然石墨烯的層數對摩擦學性能的影響機制在學術界還存在一定的分歧,但大量的石墨烯納米摩擦學性能研究結果顯示出石墨烯具有優異的潤滑和抗磨性能,隨著各種石墨烯基納米潤滑薄膜,潤滑添加劑和潤滑填料的不斷發展及其潤滑機制的深入研究,石墨烯在潤滑材料領域必將大有可為。
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