石墨烯的摩擦學(xué)性能.docx

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1、期末報(bào)告學(xué)院：材料工程學(xué)院專(zhuān)業(yè)：材料工程學(xué)號(hào)：姓名：任課教師：趙元聰日期：20160107石墨烯的表面改性以其摩擦學(xué)中的應(yīng)用摘要介紹石墨烯特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，綜述了石墨烯表面改性的研究情況，包括有機(jī)小分子及聚合物改性無(wú)機(jī)改性以及元素?fù)诫s等，同時(shí)總結(jié)了石墨烯在摩擦領(lǐng)域中的應(yīng)用，如作為潤(rùn)滑油添加劑，制備納米復(fù)合材料，制備潤(rùn)滑膜等，并展望了其在該領(lǐng)域中未來(lái)的研究方向。1.介紹石墨烯是碳原子以SP2雜化的單層堆積而成的蜂巢狀二維原子晶體，其化學(xué)形態(tài)與碳納米管外表面相似，表面結(jié)構(gòu)較碳納米管更為開(kāi)放，且楊氏模量和本征強(qiáng)度也可與碳納米管相媲美，從而表現(xiàn)出與碳納米管相似的應(yīng)用特

2、性，如良好的韌性和潤(rùn)滑性，可用于耐磨減損材料及潤(rùn)滑劑的制備等。近年來(lái)，石墨烯優(yōu)異的摩擦性能已引起了人們?cè)絹?lái)越多的關(guān)注，其片層滑動(dòng)，摩擦磨損機(jī)理及在摩擦領(lǐng)域的應(yīng)用已有諸多研究和報(bào)道。然而，結(jié)構(gòu)完整的石墨烯化學(xué)穩(wěn)定性高，與其他介質(zhì)相互作用較弱，且層間存在很大的范德華引力，難以在許多常見(jiàn)溶劑中分散形成穩(wěn)定的溶液，給石墨烯的進(jìn)一步研究和應(yīng)用造成了極大的困難。本文重點(diǎn)介紹石墨烯的表面改性研究進(jìn)展及其在摩擦領(lǐng)域中的相關(guān)應(yīng)用。2.制備方法簡(jiǎn)介2004年Geim等[1]首次用微機(jī)械剝離法成功獲得單層的石墨烯以來(lái)其特有的電學(xué)、熱學(xué)、力學(xué)等性質(zhì)引起了科學(xué)家的廣泛關(guān)注。隨著研究

3、的深入展開(kāi),石墨烯的制備方法也越來(lái)越多樣化，目前主要的方法有微機(jī)械剝離法、氧化還原法、溶劑剝離法、化學(xué)氣相沉積法和外延生長(zhǎng)法等[2]。由于石墨烯超薄的厚度及優(yōu)異的摩擦性能，使其在納米尺寸數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備、納米復(fù)合材料和納米機(jī)電系統(tǒng)中具有很大的潛在應(yīng)用價(jià)值。這就使得石墨烯與其它材料接觸時(shí)表面的相互作用研究，如摩擦力、粘附力和磨損等,顯得尤為重要。3.石墨烯的表面改性石墨烯的化學(xué)性質(zhì)十分穩(wěn)定，但外側(cè)富含缺陷和懸鍵，且其邊緣和基面還存在著不少未被還原的含氧官能團(tuán)，因此具有與其他物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)的能力，通過(guò)化學(xué)反應(yīng)，可對(duì)石墨烯進(jìn)行表面改性，使其帶有不同的官能團(tuán)，提高其在溶

4、劑中的分散性及與聚合物的復(fù)合性。3.1有機(jī)物改性石墨烯有機(jī)改性石墨烯的方法可分為共價(jià)鍵改性和非共價(jià)鍵改性，共價(jià)鍵改性通常先通過(guò)化學(xué)氧化的方法使石墨烯表面帶有羥基、羧基及環(huán)氧基團(tuán)等高反應(yīng)活性的含氧基團(tuán)，再通過(guò)與含氧基團(tuán)的共價(jià)反應(yīng)在石墨烯表面引入有機(jī)官能團(tuán)。而非共價(jià)鍵改性主要是基于分子間相互作用力或離子鍵作用力，使有機(jī)分子或離子覆蓋在石墨烯的表面，在不破壞石墨烯結(jié)構(gòu)的前提下降低石墨烯片層之間的相互作用力，以提高其分散性。通過(guò)有機(jī)小分子對(duì)石墨烯進(jìn)行改性，可以使石墨烯帶有不同的小分子官能團(tuán)，從而提高其在溶劑中的分散性和穩(wěn)定性將羧酸轉(zhuǎn)化為其鈉鹽，然后通過(guò)共價(jià)鍵結(jié)合將

5、正丁基引入到氧化石墨烯表面，最后對(duì)產(chǎn)物進(jìn)行還原（圖1），制得親油的改性石墨烯。該方法可在低溫下大量生產(chǎn)，且產(chǎn)物可在有機(jī)溶劑中形成膠態(tài)懸浮體，在納米復(fù)合材料和薄膜的制備中具有很廣泛的應(yīng)用。圖1.羧酸改性石墨烯的制備過(guò)程3.2無(wú)機(jī)物改性石墨烯石墨烯是一種理想的納米粒子負(fù)載載體，石墨烯通過(guò)靜電力作用、π—π鍵作用等可與不同的無(wú)機(jī)納米粒子進(jìn)行復(fù)合，制備出石墨烯納米雜化體。Luo等[3]將帶負(fù)電的超薄氧化石墨烯與帶正電的氨基化SiO2通過(guò)靜電力結(jié)合，生成了一種核殼結(jié)構(gòu)的亞微米粒子（圖2）金屬納米粒子可以通過(guò)原位還原法沉積在石墨烯表面，形成石墨烯金屬納米粒子雜化組裝結(jié)

6、構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)的石墨烯不僅在溶劑中具有很好的分散性，而且具備良好的光學(xué)、磁學(xué)、催化等性能。圖2.二氧化硅改性石墨烯的反應(yīng)過(guò)程利用金屬粒子對(duì)石墨烯進(jìn)行表面改性,不僅可以有效提高石墨烯的分散性，而且可以通過(guò)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)參數(shù)來(lái)控制無(wú)機(jī)粒子的粒徑和形貌，為石墨烯復(fù)合材料的可控化奠定了基礎(chǔ)。3.3元素?fù)诫s改性石墨烯石墨烯可看作無(wú)數(shù)苯環(huán)聚合而成的多環(huán)芳香化合物，因而具有芳香化合物的一些反應(yīng)特征，可進(jìn)行氫化、氟化、氮化等表面功能化處理。除了氫原子可通過(guò)化學(xué)吸附或物理吸附的方式添加到石墨烯單層碳原子結(jié)構(gòu)上，使石墨烯的導(dǎo)電性發(fā)生改變外，更重要的是一些氟原子、氮原子等也可以不同的方

7、式結(jié)合在石墨烯上，使其摩擦性、耐熱性等發(fā)生改變。氟元素?fù)诫s是碳納米材料功能化處理的重要方法之一，通過(guò)對(duì)石墨烯的氟化，能夠改善碳納米材料的力學(xué)性能、物理性能及光性能，降低其摩擦系數(shù)。元素?fù)诫s可有效調(diào)控石墨烯的結(jié)構(gòu)，且改性石墨烯表現(xiàn)出與石墨烯迥異的性質(zhì)，具有廣闊的應(yīng)用前景[5]。目前主要通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬及計(jì)算，對(duì)石墨烯表面元素?fù)诫s的邊沿效應(yīng)及性能改善進(jìn)行研究。4石墨烯在摩擦領(lǐng)域中的應(yīng)用因具有密集的層狀結(jié)構(gòu)，石墨烯具備耐磨材料添加劑所需要的特性!如良好的熱穩(wěn)定性、低的切變強(qiáng)度、低的表面粘著力等此外，石墨烯超薄的片層結(jié)構(gòu)使其極易進(jìn)入接觸面，減少兩粗糙表面的直接接觸，

8、因此，石墨烯可作為添加劑加入潤(rùn)滑油及樹(shù)脂基體中，提高其摩擦性能。4