石墨烯润滑添加剂合成与结构调控

石墨烯的微观结构在其摩擦学性能中起到重要作用,而微观结构又与其合成方法密切相关. 因此,梳理石墨烯的合成方法、微观结构调控策略、摩擦学性能以及润滑机理之间的关系对于开发高性能的石墨烯润滑添加剂具有重要意义. 本文作者从石墨烯润滑添加剂的合成与结构调控出发,综述了多种调控石墨烯微观结构的合成方法,归纳了石墨烯稳定分散的合成策略,阐述了石墨烯润滑添加剂的微观结构对其摩擦学性能的影响,探讨了石墨烯的微观结构演变与润滑机理,最后总结并指出石墨烯作为高性能润滑添加剂仍需研究的问题及未来的发展趋势.      

石墨烯掺杂的陶瓷和金属自润滑材料研究进展

石墨烯(GN)具有独特的纳米层状结构,是一种性能优异的纳米润滑材料,在自润滑材料的研究领域获得了广泛的关注. 文章综述了掺杂石墨烯的陶瓷和金属自润滑材料的最新研究进展,重点探讨了石墨烯对材料力学和摩擦学性能的作用机理,以及石墨烯自身结构不同引起的性能差异,总结了掺杂石墨烯的陶瓷和金属材料的制备方法,简要介绍了各种制备方法的特点. 文章还对现有的研究成果进行总结分析,指出了当前研究中仍待解决的问题,为今后的研究工作提出了建议.      

石墨烯的功能化改性及其作为水基润滑添加剂的应用进展

传统的油基润滑剂在使用过程中通常存在冷却性能差,易造成环境污染等问题,近年来绿色环保的水基润滑逐渐受到科学家们的关注. 水由于自身黏度低且易挥发等特点,其作为润滑剂时润滑效果不佳,因此亟待发展高效的水基润滑添加剂来改善其摩擦磨损性能. 在本文中,作者综述了近年来石墨烯基纳米材料的功能化改性及其作为水基润滑添加剂的最新研究进展,总结了其在摩擦过程中的润滑机理,并对目前石墨烯水基润滑添加剂存在的问题及今后重点研究内容进行了展望.      

基于电泳法的石墨烯涂层制备与摩擦学性能研究

采用电泳沉积方法在硅基体上制备石墨烯涂层,研究了不同电压对石墨烯涂层表面形貌、微观结构与摩擦学性能的影响,并在往复式球盘摩擦磨损试验机上研究了石墨烯涂层在不同载荷(1~9 N)下的摩擦学性能,采用扫描电子显微镜、能谱仪、光学显微镜、拉曼光谱仪和X射线光电子能谱仪分析石墨烯涂层的表面形貌、结构特征、磨损表面形貌及石墨烯结构成分的变化.结果表明:石墨烯涂层可将硅基体的表面摩擦系数从0.6降至0.1;在低压(15~60 V)条件下电泳制备的石墨烯涂层具有更加致密的微观结构,表面承载能力强,减摩性能优异.本研究中揭示了基于电泳法制备的石墨烯涂层作为固体润滑涂层应用的可行性.     

含石墨烯仿生滑液对ZrO_2陶瓷人工关节材料的润滑作用研究

为解决植入人工关节润滑不充分而引起的过早失效问题,文中制备了一种基于石墨烯的仿生关节滑液.借助氧化石墨烯拥有较好的润滑性能和透明质酸(HA)良好的生物相容性制备了水分散性较好的氧化石墨烯透明质酸(HA-GO)纳米复合材料作为仿生关节润滑液添加剂.通过核磁共振氢谱、红外光谱、热重分析、原子力扫描显微镜等对HA-GO进行了表征,并考察了其在不同分散介质中的分散性和稳定性.将HA-GO加入到HA基础溶液里配制成HA+HA-GO人工关节润滑液,系统考察了石墨烯基仿生关节液对ZrO_2陶瓷人工关节材料的减摩抗磨作用,结果显示HA+HA-GO仿生关节液具有明显的减摩抗磨性能且具有良好的生物相容性.     

石墨烯作为添加剂在两种成品润滑油中的应用可行性研究

为探索石墨烯对成品润滑油中原有添加剂体系的影响,判断其作为添加剂的应用可行性,本文中采用多层石墨烯与两种成品润滑油制备了石墨烯分散液.利用MS-10A型四球摩擦试验机与TE77长行程高频往复摩擦试验机测试了不同接触方式下石墨烯分散液的摩擦学性能;采用紫外分光光度计、旋转氧弹试验仪、高压差示扫描量热仪和成焦板试验仪等仪器对体系的分散稳定性与理化性能进行评价.试验结果显示：石墨烯在润滑油中无法保持长时间的分散稳定性,且对成品润滑油的各项应用指标无明显的提高作用,某些条件下甚至降低了油品的原有性能.分析表明：石墨烯的加入干扰了原有体系的平衡性和稳定性,无法与成品润滑油的添加剂体系发挥良好的协同作用,同时,石墨烯的规模化制备成本远高于常用润滑添加剂,因此结合上述研究结果可知,石墨烯材料目前尚不具备作为成品润滑油添加剂的可行性,其存在的诸多问题还需进行深入研究.     

石墨烯力学性能研究进展

石墨烯是近年来发现的由单层碳原子通过共价键结合而成的具有规则六方对称的理想二维晶体, 是继富勒烯和碳纳米管之后的又一种新型低维碳材料. 由于具有非凡的电学、热学和力学性能以及广阔的应用前景, 石墨烯被认为是具有战略意义的新材料, 近年来迅速成为材料科学和凝聚态物理等领域最为活跃的研究前沿. 本文简要介绍了研究石墨烯力学性能的实验测试、数值模拟和理论分析方法, 重点综述了石墨烯力学性能的最新研究进展, 主要包括二维石墨烯的不平整性和稳定性, 石墨烯的杨氏模量、强度等基本力学性能参数的预测, 石墨烯力学性能的温度相关性和应变率相关性、原子尺度缺陷和掺杂等对力学性能的影响以及石墨烯在纳米增强复合材料和微纳电子器件等领域的应用, 最后对石墨烯材料与结构的力学研究进行了展望.      

润滑剂中微纳米润滑材料的研究现状

随着纳米技术的发展,微纳米润滑材料在润滑剂中已得到广泛的应用。本文对润滑剂中微纳米润滑材料进行分类,通过分析润滑剂承载能力变化,对偶件磨损表面的修复情况,评价了不同类型微纳米润滑材料的摩擦学性能,总结了微纳米润滑材料在润滑剂中的特点,并根据微纳米润滑材料自身的理化性能,提出主要的减摩、抗磨和自修复机理,即光滑或超光滑表面滚动摩擦作用机理、沉积膜机理、嵌入渗透层/摩擦化学反应膜机理。最后,提出了微纳米润滑材料应用于润滑剂中存在问题的和今后关于该研究发展的一些建议。     

石墨烯热学性能及表征技术

2004 年石墨烯的发现立刻引起了全球科技界的高度关注, 掀起了从碳纳米管问世以来对于碳族材料的又一个研究高潮, 人们迅速开展了针对石墨烯的制备、性能表征、甚至应用的研究工作. 从石墨烯问世到目前, 主要研究工作集中在石墨烯电学性能的研究, 特别是集中在用石墨烯制备超级电容器方面. 相比之下, 人们对于石墨烯热学性能的研究还比较少. 然而, 鉴于石墨烯具有极高的热导率和负的热膨胀系数, 以及作为热界面材料的工程应用价值, 对其热学性能的研究正逐渐成为研究的一个重要分支. 以石墨烯热学性能如热导率到热膨胀系数为研究对象, 全面总结国际上的发展现状. 内容涉及单层石墨烯、多层石墨烯和石墨烯泡沫. 研究手段包括理论研究、数值模拟和实验测定3 个方面. 在综合研究成果的基础上, 最后对于存在的问题和可能的发展方向给出了合理的建议.      

新型水溶性润滑添加剂的研究进展

在工业润滑领域中,水溶性润滑添加剂决定着水基润滑体系的性能.近年来一些具有特殊结构与组成的新型水基润滑添加剂表现出了优异的使用性能和广阔的应用前景.本文作者从摩擦学特性和润滑机理出发,分别综述了国内外关于纳米微粒、含氮杂环化合物、高分子聚合物和离子液体等材料作为水溶性润滑添加剂的研究进展,分析了当前研究中存在的问题,并对其发展趋势进行了展望.     

Synthesis and methane storage of binder-free porous graphene monoliths

Nanomesh graphene (NMG) obtained by template chemical vapor deposition was used to synthesize the binder-free graphene monoliths by simple tablet pressing. The stacking manner of the NMG sheets was crucial to the cohesion interaction between the graphene sheets, only the NMG materials with a loosely stacking manner could be pressed into binder-free monoliths. At the tableting pressure of 2–8 MPa, both the bulk densities and the specific surface areas of the monoliths keep nearly constant as the tableting pressure increases, indicating that the NMG monoliths have obvious elasticity and a porous structure due to the large corrugations and the mesh structures of the graphene sheets. As a result, an extraordinary methane storage capacity of 236 (v/v) at 9 MPa was obtained in the graphene monolith prepared by tableting at 4 MPa.     

A theoretical consideration of the ballistic response of continuous graphene membranes

The remarkable properties of graphene, including unusually high mechanical strength and stiffness, have been well-documented. In this paper, we combine an analytical solution for ballistic impact into a thin isotropic membrane, with ab initio density functional theory calculations for graphene under uniaxial tension, to predict the penetration resistance of multi-layer graphene membranes. The calculations show that continuous graphene membranes could enable ballistic barriers of extraordinary performance, enabling resistance to penetration at masses up to 100× lighter than existing state-of-the-art barrier materials. The very high elastic wave speed and strain energy to failure are the major drivers of this increase in performance. However, the in-plane mechanical isotropy of graphene, as compared to conventional orthotropic woven textiles, also contributes significantly to the efficiency of graphene as a barrier material. This result suggests that, for barrier applications, isotropic membranes composed of covalently bonded two-dimensional molecular networks could provide distinct advantages over fiber-based textiles derived from linear polymers.     

仿生叠层构型石墨烯对铝基复合材料的纳米摩擦性能的影响

利用纳米压痕和纳米划痕试验表征了仿生叠层构型铝基石墨烯复合材料(Bio-inspired laminated graphene reinforced aluminum martrix composite, BAMC)与纯铝的力学性能和摩擦磨损性能. 鉴于摩擦力由黏着作用和犁沟作用两分量共同组成,对比探究了BAMC与纯铝在微观摩擦磨损过程中的弹塑性转变过程,分析了黏着作用与犁沟作用在摩擦力中的贡献度,揭示了其微观摩擦磨损机制. 结果表明:相较于纯铝,BAMC的纳米硬度提高了约24%,总摩擦系数(Friction coefficient)降低了约28%,黏着作用分量和犁沟作用分量分别降低了32%和16%. 换言之,复合材料中的异质界面产生异质变形诱导强化,进而增强了应变硬化,使仿生叠层石墨烯铝基复合材料的硬度得到明显提升,并且仿生叠层构型的石墨烯主要通过降低黏着作用来实现减磨. 从微纳米尺度揭示了BAMC的力学性能和摩擦磨损性能显著提升的机理,可为提升其摩擦磨损性能提供理论依据. 目前的工作通过纳米划痕和纳米压痕强调了叠层结构石墨烯的添加对块体复合材料的摩擦性能的影响,并表明仿生叠层构型铝基石墨烯是搭建仿生叠层结构的小尺寸理想增强体.      

非公度接触石墨烯层间摩擦对压入深度的依赖性

近年来, 以石墨烯为代表的层状二维纳米材料的摩擦力学行为受到广泛关注, 许多新的纳尺度摩擦现象、规律及机理被陆续报道, 推动纳米摩擦学取得了重要进展. 然而, 由于纳米级摩擦十分复杂, 在建立摩擦力与影响因素之间的直接关联方面依然进展非常缓慢. 本文利用分子动力学模拟方法, 研究了衬底支撑石墨烯基底与石墨烯滑片之间的摩擦行为, 着力考察了非公度接触情况下的摩擦规律. 结果表明, 石墨烯滑片和基底之间的摩擦力与压入深度直接相关, 说明压入深度可作为纳尺度摩擦力的重要度量指标. 特别地, 法向载荷和衬底刚度对石墨烯摩擦的影响,都可通过压入深度归一化处理. 该结果对理解二维材料表面弹性影响的摩擦规律具有重要的理论意义.     

低维碳和氮化硼材料的物理力学研究进展

碳纳米管、石墨烯和六方氮化硼等低维材料具有优异的力学和电学性质,已经引起广泛的科学兴趣。然而由电荷、分子轨道、电子结构和自旋态构成的低维材料的局域场与力学变形、机械运动和物理化学环境等外场间往往存在强烈耦合,这导致低维材料会呈现出新颖独特的物理力学性能。论文对近年来碳纳米管、石墨烯和六方氮化硼等低维材料的力学性能、力电耦合与器件原理、表面和界面结构性能调控、层间相互作用、能量耗散和摩擦等物理力学方面的研究进展进行了简要综述,并讨论了利用低维材料多场耦合特性和结构性能关联发展新型功能器件的方法和途径,以及纳米力学和纳尺度物理力学的前沿和发展趋势。     

非公度接触石墨烯层间摩擦对压入深度的依赖性

近年来, 以石墨烯为代表的层状二维纳米材料的摩擦力学行为受到广泛关注, 许多新的纳尺度摩擦现象、规律及机理被陆续报道, 推动纳米摩擦学取得了重要进展. 然而, 由于纳米级摩擦十分复杂, 在建立摩擦力与影响因素之间的直接关联方面依然进展非常缓慢. 本文利用分子动力学模拟方法, 研究了衬底支撑石墨烯基底与石墨烯滑片之间的摩擦行为, 着力考察了非公度接触情况下的摩擦规律. 结果表明, 石墨烯滑片和基底之间的摩擦力与压入深度直接相关, 说明压入深度可作为纳尺度摩擦力的重要度量指标. 特别地, 法向载荷和衬底刚度对石墨烯摩擦的影响,都可通过压入深度归一化处理. 该结果对理解二维材料表面弹性影响的摩擦规律具有重要的理论意义.     

Harmonic model of graphene based on a tight binding interatomic potential

Like in many other materials, the presence of topological defects in graphene has been demonstrated to modify its behavior, thus enhancing features aimed at several technological applications, more specifically, its electronic and transport properties. In particular, pristine defect-free graphene has been shown to be of limited use for semiconductor-based electronics, whereas the presence of individual or cluster defect rings along grain boundaries hinders electron transport and introduce a transport gap, unveiling the possibility of novel electronic device applications based on the structural engineering of graphene-based materials. In this work, we present an atomic bondwise force-constant model from the tight binding potential by Xu et al. (1992), that accounts for the electron-mechanical coupling effects in graphene. First we verify that this computational scheme is capable of accurately predicting the defect energies and core structures of dislocation dipoles based on the theory of discrete dislocations of Ariza and Ortiz (2005). In order to demonstrate our ability to characterize the effect of patterned distributions of structural defects on the electronic structure of graphene, we present the electronic band structures and density of states curves of several defective graphene sheets.     

激光冲击对氧化石墨烯薄膜的结构及力电性能影响

采用激光烧蚀氧化石墨烯薄膜,可实现其微尺度图案化加工,以应用于微纳米电子器件。但激光冲击下氧化石墨烯薄膜的结构及力、电性能变化直接影响了器件稳定性和可靠性。为研究超高应变率加载对氧化石墨烯薄膜的结构及性能的影响,采用不同功率激光冲击氧化石墨烯薄膜,通过对其表面形貌、化学成分表征揭示薄膜结构的改变机理,通过对薄膜冲击前后的硬度、弹性模量、导电率测试探索合理的激光加工参数。结果表明:在1.14 W功率的二氧化碳激光冲击下,可实现加工区氧化石墨烯薄膜的还原且不造成薄膜烧蚀断裂,其电导率可达到1.727×103 S/m,弹性模量为49.97 GPa,硬度为5.71 GPa。