一种石墨烯包覆纳米金刚石润滑剂的制备方法

摘要

本发明公开了一种石墨烯包覆纳米金刚石润滑剂的制备方法。将涂覆有催化剂的金属基底置于乙醇火焰上方，保持5‑100分钟，取出基底，得到一种实心的碳纳米纤维。将基底上的CNFs用刮下，然后将其放入等离子烧结炉中，保持压强为一个大气压。将SPS炉快速加热至900‑2000℃。保温5‑30分钟后取出样品，即得到石墨烯包覆纳米金刚石的润滑剂。本发明利用乙醇火焰和常压低温SPS即可制备石墨烯包覆纳米金刚石的润滑油添加剂。该方法不需要特殊的高温高压等苛刻条件，具有工艺简单、操作容易、成本低、产物质量高、可控性好，以及可进行大规模生产等优点，是一种制备高效和高质量润滑剂的理想方法。

说明书

技术领域

本发明涉及一种石墨烯包覆纳米金刚石润滑剂的制备方法，属于纳米材料领域。

背景技术

纳米金刚石具有最大的硬度、极高的导热性、高的耐磨性、良好的化学稳定性等独特的物理化学性质，自1984 年苏联科学家采用炸药爆轰法工业规模生产以来，成为众多发达国家科学工作者的研究对象。20 世纪90年代后，大量研究围绕纳米金刚石粒子在摩擦、抛光等方面的应用及摩擦学机理等展开。研究表明纳米金刚石粒子加入润滑油中，可以在摩擦副界面起到显著的耐磨减摩作用。纳米金刚石粒子在摩擦副之间的作用，包括纳米金刚石粒子对摩擦界面表面的抛光，形成一层摩擦系数极低的纳米金刚石固体边界润滑膜，以及在黑色金属摩擦副中纳米金刚石表面石墨化等。

纳米金刚石粒子也可以作为固体减摩抗磨添加剂。有研究认为纳米金刚石粒子可以在摩擦表面之间滚动形成“滚珠轴承效应”，使原来摩擦副之间的纯滑动摩擦转变为滑动和滚动的混合摩擦，从而减小了磨损。也有研究认为由于纳米尺寸效应，纳米金刚石中的碳（C）等元素在滑动摩擦力的作用下迅速渗透到了摩擦副基体中，在其表面形成了一层连续的润滑膜，从而改善了摩擦副的表面硬度和耐磨强度，可承受更高的载荷，并阻止了摩擦表面的直接接触。薄膜润滑效应在超精密制造和加工系统中广泛存在，人们对其的认识也逐步深入。虽然纳米金刚石具有优良的润滑性能，然而其制备往往需要特殊的高温高压等极其苛刻的条件，使其价格昂贵，市场上含有纳米金刚石的润滑剂产品很少，应用上受到了限制。

众所周知，石墨烯作为一种单碳原子层二维纳米材料，在力学、电学、热学和磁学等方面都具有奇特而优异的性能，如高达130 GPa 的本征强度，比钢高100倍，是目前强度最高的材料；理论值为2630 m²/g的比表面积；惊人的载流子迁移率(15000>2·V^-1·s^-1)和突出的热导率(5>-1·K^-1)，等。基于石墨烯优异的力学性能，以及作为碳质固体润滑材料(零维富勒烯C₆₀、一维碳纳米管、三维石墨)>

石墨烯具有特殊的润滑特性主要原因是其超薄的层状结构使其极易进入接触面，减少表面的直接接触，从而使其作为润滑油添加剂表现出良好的摩擦磨损性能。2015年，在国际顶级期刊《Science》上报道了一项基于石墨烯润滑剂的最新研究进展。该研究利用石墨烯包覆纳米金刚石颗粒来实现宏观尺度的超润滑，其摩擦系数可以低至0.004。这项研究为石墨烯润滑剂的开发与应用提供了新的思路，利用这一思路有望制备出新型超润滑添加剂。而实现这一思路有两个问题需要解决：一是制备出高质量石墨烯，并实现其低成本、大规模制备；二是开发出简便易行的方法，将高质量石墨烯包覆在纳米金刚石颗粒表面。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种石墨烯包覆纳米金刚石润滑剂的制备方法。该方法具有工艺简单、操作容易、成本低、产物质量高、含量高、可控性好，以及可进行大规模生产等优点，是一种制备高效和高质量润滑剂的理想方法。

一种石墨烯包覆纳米金刚石润滑剂的制备方法，包括以下步骤：

（1）将涂覆有催化剂的金属基底置于乙醇火焰中，所述的催化剂为铁、钴、镍的盐溶液，保持10-20分钟，取出基底，得到一种实心的碳纳米纤维（CNFs），并将其从基底上刮下；

（2）将刮下的碳纳米纤维放入等离子烧结（SPS）炉中，保持压强为一个大气压，将SPS加热至1500-2500℃，调整放电电流为100-1000 A，放电电压为5-20 V，保持5-20分钟后取出，即得到石墨烯包覆纳米金刚石的润滑剂。

步骤（1）中所述的金属基底为铜片、铁片、镍片等任意可在乙醇火焰中稳定存在的金属薄片。

步骤（1）中所述的催化剂的浓度为1-5 mol/L。

步骤（2）中的加热速率为100-200℃/min。

本发明提出了一种全新的利用乙醇火焰和常压低温等离子烧结（SPS）技术制备石墨烯包覆纳米金刚石的方法。利用该方法可实现石墨烯包覆纳米金刚石润滑油添加剂的大规模、低成本生产。

本发明具有以下优点和有益效果：

（1）本发明用石墨烯来包覆纳米金刚石粒子，不需要高温高压等苛刻条件，工艺简单、操作容易。

（2）本发明制备成本低、产物质量高、含量高、可控性好，可进行大规模生产。

附图说明

图1 为实施例1制备的碳纳米纤维（CNFs）的扫描电镜（SEM）图；

图2 为实施例1制备的碳纳米纤维（CNFs）的透射电镜（TEM）图；

图3 为实施例1制备的碳纳米纤维（CNFs）的电子能量损失谱（EELS）；

图4 为实施例2制备的石墨烯包覆纳米金刚石润滑剂的扫描电镜（SEM）图；

图5 为实施例3制备的石墨烯包覆纳米金刚石润滑剂的透射电镜（TEM）图；

图6 为实施例3制备的石墨烯包覆纳米金刚石润滑剂中石墨烯层的电子能量损失谱（EELS）；

图7 为实施例3制备的石墨烯包覆纳米金刚石润滑剂中纳米金刚石颗粒的选区电子衍射花样（SADP）；

图8 为实施例4制备的石墨烯包覆纳米金刚石润滑剂的X射线衍射（XRD）曲线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步阐述，但并不因此将本发明限制于所述的实施例范围之内。

实施例1

本实施例中制备碳纳米纤维（CNFs）的基底为铜片，催化剂为氯化铁（FeCl₃）溶液。具体步骤如下：在平整光滑的铜片上涂覆一层浓度为1>

实施例2

本实施例中制备石墨烯包覆纳米金刚石润滑剂的具体过程如下：在平整光滑的铜片上涂覆一层浓度为5 mol/L的氯化铁溶液，然后将涂有氯化铁的一面朝下放入乙醇火焰中。保持20 分钟后取出铜片，可以看到铜片上有一层黑色物质即为CNFs。用小刀轻轻刮下铜片上的CNFs，并将其置于等离子烧结（SPS）炉中。开启SPS炉，以100℃/min的速率升温至2500℃，调整放电电流为100 A，放电电压为20 V，保持20 分钟后关闭SPS炉，待冷却后取出样品进行扫描电子显微镜（SEM）观察，其形貌如图4所示。

实施例3

本实施例中制备石墨烯包覆纳米金刚石润滑剂的具体过程如下：在平整光滑的铜片上涂覆一层浓度为1 mol/L的氯化铁溶液，然后将涂有氯化铁的一面朝下放入乙醇火焰中。保持10 分钟后取出铜片，可以看到铜片上有一层黑色物质即为CNFs。用小刀轻轻刮下铜片上的CNFs，并将其置于等离子烧结（SPS）炉中。开启SPS炉，以200℃ /min的速率升温至1500℃，调整放电电流为1000 A，放电电压为5 V，保持5 分钟后关闭SPS炉。将制备的样品取出5 mg放入10 mL乙醇中进行超声处理，待样品分散均匀后滴入铜网中，然后将铜网放入透射电镜（TEM）中进行观察。其TEM微结构如图5所示，石墨烯的电子能量损失谱（EELS）如图 6所示，金刚石颗粒的选区电子衍射花样（SADP）如图7所示。

实施例4

本实施例中制备石墨烯包覆纳米金刚石润滑剂的实验条件与实施例3相同。将制备的样品取出后测量其X射线衍射（XRD）曲线，如图8所示。

从以上结果可以看出，利用常压低温烧结技术能够制备出石墨烯包覆纳米金刚石的润滑油添加剂。该方法不需要特殊的高温高压等苛刻条件，工艺简单、操作容易、成本低、产物质量高、含量高、可控性好，可进行大规模生产。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。