石墨烯负载金属粒子润滑添加剂的制备

发布时间：2020-03-19 02:17

【摘要】：为设计与润滑油互补适配的多功能纳米复合润滑添加剂,以提高船用润滑油的性能和承载能力,本文采用等离子体辅助球磨工艺制备Cu/石墨烯复合粉体、Fe/石墨烯复合粉体和W/石墨烯复合粉体等石墨烯负载金属纳米粒子,采用SEM、TEM、XRD、Raman和FT-IR红外光谱等分析手段对其进行形貌观察与结构表征,并探究石墨烯负载金属纳米粒子作为复合润滑添加剂在基础油中的分散性及摩擦学性能。本文研究内容主要包括:(1)研究石墨烯的形成机制。试验结果发现,经过等离子体辅助球磨10h后,莫氏硬度最高的W作为球磨介质所得石墨烯层数为3层,ID/IG值为0.493,莫氏硬度居中的Fe作为球磨介质所得石墨烯的层数为6层,ID/IG值为0.292,莫氏硬度最低的Cu作为球磨介质所得石墨烯的层数为6层,ID/IG值仅为0.193。在等离子体辅助球磨过程中产生的热效应、磨球的撞击剪切作用和金属颗粒的刮擦嵌入协同作用下,可以有效地促进膨胀石墨剥离成石墨烯,且莫氏硬度越高的金属作为球磨介质对膨胀石墨的刮擦剥离效果越显著。(2)研究不同金属的形态演变规律。试验结果发现,经过等离子体辅助球磨10h后,熔点最低的Cu全部转化为球形,而熔点居中的Fe呈无规则和球状两种形态,熔点最高的W依然呈无规则状形貌。在等离子体辅助球磨过程中,金属熔点越低,越易产生热爆飞溅形成球形金属粒子。(3)研究不同金属的晶粒细化程度。试验结果发现,经过等离子体辅助球磨10h后,Cu的晶粒尺寸为22.1nm,W的晶粒尺寸为31.5nm,而Fe的晶粒尺寸为40.2nm。这是由于在三种金属中,Cu的塑性最好,熔点最低,因此在等离子体辅助球磨过程中Cu更容易发生变形及热爆,获得最小的晶粒尺寸;而对于晶体结构相同的Fe和W,由于W的熔点更高,因此比Fe更易得到晶粒细化。(4)研究金属/石墨烯添加剂在基础油中的分散性和摩擦学性能。试验结果发现,等离子体辅助球磨时间越长,制备的金属/石墨烯添加剂在润滑油中的分散性越好。球磨10h制备的Cu/石墨烯添加剂的减摩性能最好,W/石墨烯添加剂的减摩性能最差。负载金属的硬度和形态对复合润滑油的减摩抗磨效果有较大影响,负载金属的硬度越小且球形的纳米金属粒子越多,复合润滑油的减摩抗磨效果越显著。
【图文】：

钠经超声分散2h后，获得了石墨烯负载多金属粒子复合材料。Yang等[34]先分别得到石墨烯和纳米钴颗粒，后将石墨烯与纳米钴颗粒混合并球磨10h获复合材料，该复合材料具有Co/石墨烯/Co夹层结构。但同时存在球磨效率严重的问题。体辅助球磨工艺，实现了在球磨过程中等离子体与机械球磨的有效耦合，材料方面具有突出的优点。与普通球磨相比，由于等离子体的微区热爆效用，等离子体辅助球磨可以快速细化粉体和高效激活粉体[35,36]。[37]发现等离子体辅助球磨在制备石墨烯复合材料方面具有显著的优势，该石墨烯复合储能材料表现出优异的性能，并且利用膨胀石墨代替石墨可以间，仅用10h可获得5-8nm厚的多层石墨烯。他们分析认为，磨球和无机粒产生协同剥离作用，同时等离子体的热效应耦合作用导致石墨热膨胀促进石墨烯在等离子体辅助球磨中的形成机理如图1-1所示。该课题组[38]还发现ZnO、Fe2O3、GeO2、WC、Mg2Si对制备的低层石墨烯形貌影响不大，但对较大；球磨介质的莫氏硬度越高，制备的石墨片层越薄；当球磨介质介电，制备的石墨烯片质量最佳，石墨烯层数小于7层。

2.2 粉体的结构表征2.2.1 粉体的形貌分析图2-1为Cu原始粉、膨胀石墨以及不同球磨时间下制备的Cu/石墨烯复合材料SEM图。从图(a)可以看出，Cu原始粉粒径为1-2μm，呈不规则状，并相互聚集在一起。从图(b)可以看出，膨胀石墨的尺寸有数微米，保持良好的片状晶体结构，表面平整光滑，存在的褶皱和缺陷很少。从图(c)中可看出，球磨到2.5h时，石墨保持大块层片状结构，且较大尺寸的石墨片层的主体表面平整、无褶皱；从图(d)中可看出，球磨时间为5h时，，石墨仍保持大块的层片状结构
【学位授予单位】：集美大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TE624.81

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