石墨烯薄膜的制备及其摩擦学性能优化
发布时间：2017-08-07 09:14
本文关键词：石墨烯薄膜的制备及其摩擦学性能优化
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【摘要】：石墨烯作为碳原子的一种同素异构体,具有典型的以SP2杂化为主的二维晶体片层结构,这种特殊的二维结构造就了其优异的物理化学性能,也因此吸引了众多学者的关注,具有重大的理论研究和实际应用双重意义。这其中,作为最薄的固体润滑薄膜,石墨烯具有优异的润滑性能。但是,综合现有的各种石墨烯材料,仍存在造价昂贵,润滑性能不稳定等缺点。针对以上问题,本论文逐步开展了一系列研究工作,主要研究工作如下:1.利用等离子体增强化学气相沉积方法(PECVD)方法在高温加热的条件下制备了石墨烯薄膜。其中,薄膜的微观结构随着温度的梯度增加变化显著,尤其是碳薄膜的在常温下(20℃)呈现出典型的非晶碳结构,但是随着温度增加至600℃时,弯曲的石墨烯片层结构均匀分布在薄膜中。并对薄膜在相对湿度为40%的环境下的的机械性能和摩擦学性能做了研究,研究表明具有石墨烯长链结构的薄膜表现出较好的摩擦学性能,在湿润的大气环境下,摩擦系数低至0.03。2.利用等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)和磁控溅射沉积复合技术制备了石墨烯/二硫化钼片层结构自润滑(Graphene/Mo S2)薄膜。研究表明这种特殊的片层结构赋予了薄膜较好的机械性能和摩擦性能,其中,在大气环境下,该薄膜表现出超润滑现象,摩擦系数低至0.008,在多气氛的N2Ar和O2环境下,该薄膜依然表现出超滑现象,体现出多气氛环境工况下优异的润滑性能。3.鉴于氧化石墨烯薄膜较高的摩擦系数,采用表面织构技术对薄膜的润滑性能进行优化。实验先用间接织构法在单晶硅表面织构出不同面积比的微米级的凹坑,然后以能形成负电子的胶体溶液为电解液体,用阳极电泳沉积法(EPD)在事先织构好的硅基底上沉积出厚度约(230nm)的氧化石墨烯薄膜(GO)薄膜。通过摩擦实验表明,表面织构处理的薄膜因为其双重固体润滑效应,具有明显的抗磨性能。其中,织构密度比为4%的氧化石墨烯薄膜表现出最佳的润滑性能,相较没有织构处理的氧化石墨烯薄膜的0.095,该薄膜摩擦系数降低至0.024。4.利用脉冲等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)技术制备了多层类富勒烯薄膜。结果表明,这种薄膜在合适的周期比和层数时表现出优异的优异的机械特性和摩擦学性能。其中,该薄膜具有高达90%的弹性恢复值和较低的摩擦系数(0.019)和磨损率(3.0×10-9 mm3/Nm)。
【关键词】：石墨烯薄膜 优异的摩擦性能 石墨烯/二硫化钼薄膜 超润滑 织构氧化石墨烯薄膜 双重润滑效应
【学位授予单位】：兰州理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O613.71;TB383.2
【目录】：
- 摘要7-8
- Abstract8-10
- 第1章 绪论10-21
- 1.1 石墨烯的结构和制备10-13
- 1.1.1 石墨烯的结构10-11
- 1.1.2 石墨烯的制备11-13
- 1.1.2.1 微机械剥离法11-12
- 1.1.2.2 氧化石墨还原法12
- 1.1.2.3 外延生长法12-13
- 1.1.2.4 化学气相沉积法13
- 1.2 石墨烯的性能和应用13-15
- 1.2.1 石墨烯的电学性能及其应用13-14
- 1.2.2 石墨烯的热性能及其应用14
- 1.2.3 石墨烯的光学性能及其应用14-15
- 1.2.4 石墨烯的机械性能及其应用15
- 1.3 石墨烯薄膜的制备方法15-17
- 1.3.1 旋转涂覆法15
- 1.3.2 喷射涂覆法15-16
- 1.3.3 自组装法16
- 1.3.4 电化学法16
- 1.3.5 化学气相沉积法16-17
- 1.4 石墨烯薄膜的表征方法17-18
- 1.4.1 原子力显微镜 (AFM)17
- 1.4.2 透射电子显微镜 (TEM)17
- 1.4.3 拉曼光谱 (Raman)17-18
- 1.4.4 X射线 光电子能谱 (XPS)18
- 1.5 石墨烯薄膜的摩擦学研究进展18-20
- 1.6 本论文的研究意义和研究内容20-21
- 第2章 石墨烯薄膜的化学气相法制备及摩擦磨损性能研究21-28
- 2.1 实验部分21-22
- 2.1.1 样品制备21-22
- 2.1.2 薄膜组成与结构表征22
- 2.2 结果与讨论22-27
- 2.2.1 薄膜的结构22-24
- 2.2.2 薄膜的机械性能24-25
- 2.2.3 薄膜的摩擦学性能25-27
- 2.3 小结27-28
- 第3章 石墨烯/二硫化钼复合薄膜的制备及其摩擦学性能研究28-35
- 3.1 实验部分28-30
- 3.1.1 样品制备28-29
- 3.1.2 薄膜组成与结构表征29-30
- 3.2 结果与讨论30-34
- 3.2.1 薄膜的结构30-31
- 3.2.2 薄膜的机械性能31-32
- 3.2.3 薄膜的摩擦学性能32-34
- 3.3 小结34-35
- 第4章 表面织构氧化石墨烯薄膜的摩擦学性能35-44
- 4.1 实验部分35-37
- 4.1.1 样品制备35-36
- 4.1.2 激光织构36-37
- 4.1.3 薄膜组成与结构表征37
- 4.2 结果与讨论37-43
- 4.2.1 薄膜的结构37-39
- 4.2.2 薄膜的摩擦学性能39-43
- 4.3 结论43-44
- 第5章 多层类富勒烯薄膜的制备及其摩擦学性能研究44-51
- 5.1 实验部分45-46
- 5.1.1 样品制备45
- 5.1.2 薄膜表征45-46
- 5.2 结果与讨论46-50
- 5.2.1 薄膜的结构46-48
- 5.2.2 薄膜的机械性能48-49
- 5.2.3 薄膜的摩擦学性能49-50
- 5.3 结论50-51
- 结论与展望51-53
- 参考文献53-63
- 致谢63-64
- 附录 A 攻读学位期间所发表的学术论文目录64
本文编号：633862
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