石墨烯基固体润滑剂的制备及摩擦学性能探究

摘要

在摩擦学中，一些纳米粒子（如过渡族金属硫化物、稀土氧化物）与辅助强化材料(如石墨烯等)复合后所制备出的纳米润滑剂或润滑添加剂，可以很好的满足机械设备在极端环境(大载荷、高真空、高温、低温等)下的减摩耐磨需求，表现出优异的摩擦学性能。本论文针对单项纳米润滑材料易团聚黏连并且在极端环境下润滑能力下降和抗磨损性能不足的问题，利用石墨烯作为强化材料构建了新型固体纳米润滑材料，并研究其减摩耐磨性能和机理。详细内容如下： 1、采用一步水热法将Zn2+与S2-在石墨烯表面附着，进一步使得ZnS纳米粒子形核并生长，从而制备了RGO/ZnS纳米复合材料。通过X射线衍射，扫描电子显微镜，高分辨透射电子显微镜和拉曼光谱等表征手段对所得样品进行了表征分析，并对其复合过程做了探讨。通过验证样品的微观形貌，确定复合在石墨烯片上的ZnS纳米颗粒的直径在30nm左右。将得到的RGO/ZnS纳米复合材料以环氧树脂为载体研究分析了其摩擦学性能。实验结果表明，与纯环氧树脂和ZnS涂层相比，含RGO/ZnS的环氧树脂涂层具有更好的减摩抗磨性能。此外，我们探究了在一定范围内载荷的变化对RGO/ZnS纳米复合材料摩擦学性能的影响。结果表明，随着载荷的增加涂层的磨损量相应增加，摩擦系数呈现先降低后增加的趋势。最后，对RGO/ZnS纳米复合材料的减摩抗磨机理做了探究。 2、采用加入了表面活性调控的水热方法制备出了RGO/MoS2纳米复合材料，并通过多种手段对样品进行了形态和结构的表征。通过将其添加到环氧树脂中制备出摩擦润滑涂层对比研究了MoS2和RGO/MoS2纳米复合材料在真空环境下的摩擦磨损性能。实验结果表明，纯的MoS2在真空下很容易发生结构的破坏导致其减摩抗磨能力的下降。而RGO/MoS2纳米复合材料相比于纯的MoS2拥有更低的摩擦系数以及更小的磨损量，并且RGO/MoS2的减磨抗磨作用工作时间比纯的MoS2有了极大的提升。最后，我们探讨了RGO/MoS2在真空环境下的减摩抗磨机理。 3、通过在热液环境下分解Ce(NO3)3并加入氧化石墨烯制备出了RGO/CeO2纳米复合材料，通过多种针对性的测试方法对制备的样品进行了物相以及结构形貌表征。表征结果证明，CeO2纳米颗粒以几十纳米的尺寸均匀分布在石墨烯纳米片的表面，RGO的加入能够有效的降低CeO2纳米颗粒之间相互的吸附团聚倾向，同时我们将RGO/CeO2纳米复合材料添加到环氧树脂中对其摩擦学性能做了一系列的探究。由实验结果可得，RGO/CeO2纳米复合材料具有很好的润滑作用（摩擦系数在0.08左右），同时有着很好的抗磨耐磨效果。稀土氧化物作为非常重要的资源，研究CeO2摩擦学性能可以拓宽稀土氧化物的应用领域，同时也可以对其他新型固体润滑材料的开发给出一定的参考价值。

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