新型MoS2基纳米复合材料的形貌调控及摩擦学性能

摘要

二硫化钼（MoS2），过渡金属硫族化合物的典型代表，具有独特的“三明治夹心”结构，层内原子通过强共价键结合，而层间则通过较弱的范德华力结合，层与层很容易滑移。正是MoS2这种独特的结构，而一直以来被广泛应用于固体润滑和润滑油或润滑脂添加剂，并享有“润滑之王”的美誉。众所周知，与MoS2块状材料相比，纳米级MoS2在抗磨减摩方面表现出更加优异的摩擦学性能，因此，开发高性能的MoS2基纳米复合材料是当前摩擦与润滑领域的研究重点。据此，本文主要研究了MoS2基纳米复合材料的水热形貌调控及其摩擦学性能，为发展高性能的MoS2基纳米润滑材料提供理论与应用支持。本研究主要内容包括：　　⑴表面活性剂辅助水热合成MoS2纳米材料及摩擦学性能研究。采用表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）辅助水热合成了均一MoS2纳米花，并讨论了反应时间、CTAB浓度及pH值对产物形貌的影响。基于上述结果，我们提出了MoS2纳米花可能的生长演化机理。此外，我们考察了制备产物 MoS2纳米花作为基础油（HVI1500）添加剂的摩擦学性能，结果表明添加MoS2纳米花能有效提高基础油的摩擦学性能。　　类似的，以泊洛沙姆(F-127)作为表面活性剂，通过水热反应合成了MoS2中空微球。在讨论了反应时间和F127浓度对产物形貌影响的基础上，探索了MoS2中空微球可能的生长机理。此外，我们考察了制备产物MoS2中空微球作为基础油（石蜡）添加剂的摩擦学性能，结果表明添加MoS2中空微球能有效改善基础油的摩擦学性能。　　⑵混合表面活性剂辅助水热合成 MoS2分级自组装纳米结构及摩擦学性能研究。发展了混合表面活性剂辅助水热合成法。以苄基三乙基氯化铵（TEBAC）作为单一表面活性剂时，水热合成产物为 MoS2花状空心微球，而以TEBAC-CTAB作为混合表面活性剂时，产物为 MoS2核壳微球。类似的，以TEBAC-葡萄糖作为混合表面活性剂时，产物为 MoS2花状纳米棒，上述产物均由MoS2纳米片组装而成。同时，我们研究了各种水热条件，如表面活性剂浓度、温度等对产物形貌的影响。此外，我们考察了上述三种产物的MoS2纳米结构作为基础油石蜡添加剂的摩擦学性能，结果表明添加MoS2纳米材料能有效改善基础油的摩擦学性能。　　⑶MoS2/ZnS、MoS2/Bi2S32D纳米复合材料的水热合成及摩擦学性能。以钼酸钠、硫酸锌、硫脲及盐酸羟氨为原料，采用水热合成法制备了MoS2/ZnS超薄纳米片，并讨论了Mo与Zn、S之间的摩尔比对产物形貌影响。此外，我们将水热法合成MoS2/ZnS超薄复合纳米片作为基础油（石蜡）添加剂进行了摩擦学性能研究，结果表明，所有添加MoS2/ZnS超薄纳米片混合油样的摩擦系数均降低，特别是添加2％ MoS2/ZnS超合纳米片的油样具有更佳摩擦学性能，因此，MoS2/ZnS超薄纳米片的添加能有效增强石蜡的摩擦学性能，降低材料的磨损。类似的，我们Bi盐替代上述水热反应中硫酸锌,在相同的条件下，采用上述类似的水热合成法制备了MoS2/Bi2S3纳米片，这种片状结构是由MoS2花状片层结构包覆Bi2S3纳米棒而形成的。同样的，我们讨论Mo与Bi、S之间的摩尔比对产物形貌的影响。此外，我们将水热法合成MoS2/Bi2S3纳米片作为基础油（石蜡）添加剂进行了摩擦学性能研究，结果表明，所有添加 MoS2/Bi2S3纳米片混合油样的摩擦系数均降低，特别是添加2%MoS2/Bi2S3纳米片的油样具有更佳摩擦学性能，因此，MoS2/Bi2S3纳米片的添加能有效增强石蜡的摩擦学性能，降低材料的磨损。　　⑷MoS2基二维纳米复合材料的水热合成及摩擦学性能。以改进Hummer法合成的石墨烯为前驱体，采用NaCl辅助水热合成法制备了MoS2/GR复合纳米管，并讨论了石墨烯及NaCl的浓度对产物形貌的影响。此外，我们将水热法合成MoS2/GR复合纳米管作为基础油（石蜡）添加剂进行了摩擦学性能研究，结果表明，所有添加MoS2/GR复合纳米管混合油样的摩擦系数均降低，特别是添加1%MoS2/GR复合纳米管的油样具有更佳摩擦学性能。类似的，以固相烧结合成的 g-C3N4作为前驱体，采用水热合成法制备了g-C3N4/MoS2超薄复合纳米片，并讨论了g-C3N4添加量和表面活性剂对产物形貌的影响。此外，我们将水热法合成g-C3N4/MoS2超薄复合纳米片作为基础油（石蜡）添加剂进行了摩擦学性能研究，结果表明，g-C3N4/MoS2超薄复合纳米片的添加能有效增强石蜡的摩擦学性能，起到抗磨减磨的效能。

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第一章 绪 论

1.1引 言

1.2 二维（2D）层状纳米材料简介

1.3 过渡金属硫族化合物的合成及应用

1.4 过渡金属硫族化合物在摩擦与润滑领域的应用

1.5 本论文的选题背景及研究内容

第二章 表面活性剂辅助水热合成MoS2纳米材料及摩擦学性能

2.1引言

2.2实验部分

2.3 CTAB辅助水热合成花状MoS2纳米结构

2.4 F-127辅助水热合成花状MoS2中空纳米结构

2.5本章小结

第三章 TEBAC辅助水热合成MoS2分级自组装纳米结构及摩擦学性能

3.1引言

3.2实验部分

3.3 TEBAC辅助水热合成花状MoS2中空微球

3.4 TEBAC-CTAB辅助水热合成花状MoS2核壳结构

3.5 TEBAC-葡萄糖辅助水热合成花状MoS2纳米棒

3.6本章小结

第四章 MoS2基金属硫化物复合纳米材料的合成及摩擦学性能

4.1引言

4.2实验部分

4.3 MoS2/ZnS超薄纳米片的水热合成

4.4 MoS2/Bi2S3超薄纳米片的水热合成

4.5本章小结

第五章 MoS2基2D纳米复合材料的合成及摩擦学性能

5.1引言

5.2实验部分

5.3 NaCl水热辅助合成MoS2/GR纳米管

5.4 MoS2/g-C3N4复合纳米结构的合成

5.5本章小结

第六章 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

致谢

攻读博士学位期间发表的学术论文及其他科研成果