石墨烯材料摩擦磨损特性的研究进展

三维石墨烯作为润滑油添加剂在钢-DLC涂层上的摩擦学行为研究摘要:随着工业领域对润滑油添加剂性能的要求日益提高，石墨烯作为一种新型润滑材料引起了广泛的关注。

本研究旨在探究三维石墨烯作为润滑油添加剂在钢/DLC（钻石样碳）涂层上的摩擦学行为。

通过微观观察和大量实验数据的分析，研究发现，添加三维石墨烯润滑剂可以显著降低钢材与DLC涂层之间的摩擦系数，并提高摩擦表面的耐磨性。

此外，研究还探讨了三维石墨烯润滑剂添加剂的最佳浓度范围，并分析了其在摩擦表面上的分散性及润滑膜形成机制。

该研究结果对于改善钢材表面润滑性能以及拓宽三维石墨烯在润滑行业中的应用范围具有重要意义。

关键词：三维石墨烯、润滑剂、钢材、DLC涂层、摩擦学1. 引言润滑油添加剂在工业制造中起着极其重要的作用，能够降低摩擦和磨损，延长机械设备的使用寿命。

传统的润滑剂存在着许多问题，例如稳定性差、使用寿命短以及对环境造成的污染等。

因此，寻找新型的高效润滑剂成为了当前研究的热点。

近年来，石墨烯作为一种新型的二维材料，以其出色的力学性能和优异的导电导热性能引起了广泛的关注。

2. 实验方法本研究采用初始载荷300 N和初始滑动速度100 mm/min的球-盘摩擦试验机对钢材/DLC涂层进行摩擦学性能测试。

润滑剂添加剂采用分散剂将三维石墨烯均匀分散于基础润滑油中，通过旋转蒸发的方法制备三维石墨烯润滑剂。

通过扫描电镜（SEM）、光学显微镜（OM）和能谱仪（EDS）等对摩擦表面进行形貌和成分分析。

3. 结果与讨论通过实验测试，发现添加三维石墨烯润滑剂可以显著降低钢材与DLC涂层之间的摩擦系数。

其中，添加三维石墨烯润滑剂的最佳浓度范围为0.5 wt%至1.0 wt%。

当润滑剂浓度超过1.0 wt%时，摩擦系数出现反弹现象，润滑效果下降。

同时，三维石墨烯润滑剂还能够形成均匀且致密的润滑膜，大大减少了表面的磨损。

4. 结论本研究发现三维石墨烯润滑剂可作为一种高效的润滑油添加剂，能够显著降低钢材与DLC涂层之间的摩擦系数，提高表面的耐磨性。

石墨烯摩擦学及石墨烯基复合润滑材料的研究进展一、本文概述石墨烯，一种由单层碳原子紧密排列形成的二维晶体材料，自2004年被科学家首次成功分离以来，其独特的物理和化学性质引起了全球科研人员的广泛关注。

石墨烯以其超高的电导率、热导率、强度以及优良的摩擦学性能，在众多领域展现出巨大的应用潜力。

特别是在摩擦学领域，石墨烯及其基复合润滑材料的研究，对于提高机械部件的运行效率、降低能耗、延长使用寿命等方面具有深远的意义。

本文旨在全面综述近年来石墨烯摩擦学及石墨烯基复合润滑材料的研究进展。

我们将从石墨烯的基本性质出发，深入探讨其摩擦学特性，包括摩擦系数、磨损率等关键指标。

随后，我们将重点介绍石墨烯基复合润滑材料的制备工艺、性能优化及其在实际应用中的表现。

本文还将对石墨烯在摩擦学领域的未来研究方向和应用前景进行展望，以期为相关领域的科研工作者和工程师提供有益的参考和启示。

二、石墨烯的摩擦学特性石墨烯，作为一种新兴的二维纳米材料，自其被发现以来，便因其独特的物理和化学性质引起了摩擦学领域的广泛关注。

石墨烯的摩擦学特性主要表现在其超常的力学性能和极低的摩擦系数上。

石墨烯的力学性能卓越，其杨氏模量高达0 TPa，抗拉强度约为130 GPa，这使得石墨烯在承受压力时表现出极高的稳定性。

因此，在摩擦过程中，石墨烯可以作为有效的承载层，减少摩擦界面的磨损。

石墨烯具有极低的摩擦系数。

研究表明，石墨烯在多种材料表面上的摩擦系数都低于1，甚至在某些条件下可以达到超低摩擦状态。

这种低摩擦特性使得石墨烯在润滑材料领域具有巨大的应用潜力。

石墨烯还具有出色的热稳定性和化学稳定性，这使得它在高温、高湿、高腐蚀等恶劣环境下仍能保持稳定的摩擦性能。

因此，石墨烯不仅可以在常规条件下作为润滑材料使用，还可以在极端条件下发挥出色的润滑效果。

然而，尽管石墨烯具有诸多优点，但在摩擦学应用中也存在一些挑战。

例如，石墨烯的层间剪切强度较低，容易在摩擦过程中发生滑移，导致摩擦系数的波动。

石墨烯的纳米摩擦与磨损性质朱齐荣1李慧琴1李宁1柴静2高润纲2梁齐1,*(1上海交通大学分析测试中心,上海200240;2上海交通大学微纳科学技术研究院,上海200240)摘要:采用乙醇溶剂剥离的方法制备石墨烯.通过对溶剂温度、超声时间、超声功率和溶剂离心速度及时间的控制,从高定向热解石墨(HOPG)制备得到少层石墨烯.用原子力显微镜(AFM)研究了云母基底上不同层数石墨烯在真空中的纳米摩擦过程,发现从约4个原子单层(4ML)起,摩擦系数基本不再变化,但摩擦力仍随着厚度的增加而显著减小,7ML 之后,其摩擦系数基本接近于零.在磨损实验中,少层石墨烯表面存在刮坏的现象,且不同厚度的石墨烯的磨损现象明显不同,其中2ML 石墨烯相比4ML 石墨烯表现出较好的耐磨损性能,且不具有摩擦方向依赖性.测试了真空下少层石墨烯和云母表面的粘附力,发现不同层厚的石墨烯相差不大,因此认为基底效应并不是磨损性质差异的主要原因.相对于单层石墨烯,少层石墨烯在抗磨损涂层等领域有着很大的潜在应用价值.关键词:高定向热解石墨;石墨烯;纳米摩擦学;原子力显微镜;磨损中图分类号:O647Nanotribological and Wear Properties of GrapheneZHU Qi-Rong 1LI Hui-Qin 1LI Ning 1CHAI Jing 2GAO Run-Gang 2LIANG Qi 1,*(1Instrumental Analysis Center,Shanghai Jiao Tong University,Shanghai 200240,P .R.China ;2Research Institute of Micro/Nano Science and Technology,Shanghai Jiao Tong University,Shanghai 200240,P .R.China )Abstract:We prepared few-layer graphene samples by liquid-phase exfoliation in ethanol.By controlling the solvent temperature,sonication time and power,and centrifugation speed and time,we fabricated several-layer graphene from highly oriented pyrolytic graphite (HOPG).The obtained supernatant was added dropwise onto freshly cleaved mica surfaces.Nanotribological study of the samples under high vacuum by atomic force microscope (AFM)showed that frictional force decreased as the number of monolayers (ML)of graphene increased,and their frictional coefficient remained constant when the sample was thicker than about 4ML.When the coverage reached 7ML,the frictional coefficient was close to zero.In wear experiments,2-ML graphene exhibited better wear resistance than the 4-ML sample and had no dependence on directional friction.We also measured the adhesion force of samples containing different numbers of layers of graphene and the mica surface,and found that substrate adhesion is not the main reason for the wear resistance properties of 2-ML pared with single-layer graphene,the low friction coefficient of few-layer graphene makes it promising for application in areas such as data storage devices,nanoelectromechanical systems,and anti-wear coatings.Key Words:Highly oriented pyrolytic graphite;Graphene;Nanotribology;Atomic force microscope;Wear[Article]doi:10.3866/PKU.WHXB201305031物理化学学报(Wuli Huaxue Xuebao )Acta Phys.-Chim.Sin .2013,29(7),1582-1587JulyReceived:January 29,2013;Revised:May 2,2013;Published on Web:May 3,2013.∗Corresponding author.Email:qiliang@;Tel:+86-21-34205698.The project was supported by the National Natural Science Foundation of China (10974134).国家自然科学基金(10974134)资助项目ⒸEditorial office of Acta Physico-Chimica Sinica1582朱齐荣等:石墨烯的纳米摩擦与磨损性质No.71引言近20年以来,碳纳米材料一直是科技创新的热点,从富勒烯到碳纳米管再到今天的石墨烯,无一不掀起了科学界的研究热潮.石墨烯是一种有单层碳原子紧密堆积成二维蜂窝状晶格结构的碳质新材料.自2004年Geim等1首次用微机械剥离法成功获得单层的石墨烯以来,其特有的电学、热学、力学等性质引起了科学家的广泛关注.2-6随着研究的深入展开,石墨烯的制备方法也越来越多样化,目前主要的方法有微机械剥离法、1氧化还原法、7溶剂剥离法、8化学气相沉积法9,10和外延生长法11等.由于石墨烯超薄的厚度及优异的摩擦性能,使其在纳米尺寸数据存储设备、纳米复合材料和纳米机电系统中具有很大的潜在应用价值.12这就使得石墨烯与其它材料接触时表面的相互作用研究,如摩擦力、粘附力和磨损等,显得尤为重要.无论是在真空环境还是大气环境下,大多数纳米摩擦领域研究显示,相对于单层石墨烯,多层石墨烯表现出更低的摩擦力及摩擦系数.对于这种现象的解释至今尚未得到最终统一,解释的原理包括皱褶效应及电子-声子耦合效应等.13-16这种不一致的解释,与研究者的制备方法、石墨烯的基底及测试条件有很大的关系.然而在这些石墨烯的摩擦学研究中,却较少提及所可能存在的磨损问题.17-19为了考察石墨烯在纳米尺寸数据存储设备、纳米复合材料和微纳机电系统(MEMS)中的实际应用,以及其是否适合作为固体润滑剂,石墨烯磨损的研究至关重要.本文采用溶剂剥离法将从高定向热解石墨(HOPG)上剥离下的石墨片放到无水乙醇中超声,离心后,将制备好的石墨烯乙醇溶液滴在干净的新解理云母片上,密封条件下自然干燥.在高真空中,将制备好的样品用原子力探针显微镜(接触模式AFM)进行检测,研究了不同层数石墨烯的摩擦力及磨损过程,以及在真空中改变不同扫描角度后,石墨烯形貌的变化.2实验部分2.1石墨烯的制备实验采用昆山市超声仪器有限公司生产的数控超声波清洗器(型号KQ-500DE),离心机为上海卢湘仪TG16-WS台式高速离心机,高定向热解石墨是购于上海奈米派实业有限公司的高序石墨(型号GRAS/1.2),无水乙醇(纯度是99.7%)是常熟市杨园化工有限公司生产的.实验过程如下,首先用特定的胶带从HOPG上撕下石墨片层,将撕下的石墨称取约0.002g加到盛有60mL无水乙醇的烧杯中,密封后放入超声波清洗器中超声.在超声过程中,温度保持在20-25°C,超声功率为200W.超声约48h 之后,将石墨烯溶液在10000r·min-1下离心5min.离心之后,取上层清液滴到新解理的云母表面上,密封环境下室温干燥,干燥后放到原子力探针显微镜中抽至高真空,为后面的测试实验做准备.为了证实少层石墨烯的存在与否,将离心后的上层清液滴到SiO2基底上,在干燥箱(60°C)中烘干后,用德国Bruker Senterra R200-L型显微激光拉曼光谱仪测试得到拉曼光谱.2.2石墨烯的摩擦学及其磨损性质测试摩擦学性能测试采用日本精工公司生产的环境可控型多功能扫描探针显微镜(型号SII Nano-Navi E-Sweep)进行,测试石墨烯纳米摩擦学采用探针为日本OLYMPUS生产的Si3N4探针,其法向弹性系数为~0.08N·m-1,悬臂长为200μm;测试磨损的探针是日本Veeco公司生产的Si3N4探针,其法向弹性系数为~0.58N·m-1,悬臂长为100µm.纳米摩擦学研究的实验过程中,腔体的真空度始终保持在1.5×10-4-3.6×10-4Pa之间,扫描速率为1.5Hz,扫描范围约为60nm×60nm,扫描角度为90°,由于并未对横向扭力系数作数值标定,这里摩擦力的坐标用任意单位表示;磨损实验的真空度始终保持在4×10-4-7×10-4Pa之间,扫描速度为1.5Hz,扫描范围是8.4µm×8.4µm.在AFM接触模式下,测量石墨烯形貌磨损的整个变化过程,并改变不同的扫描角度,研究扫描方向对磨损的影响情况.此外,我们还分析了不同层厚的石墨烯和云母表面与Si3N4探针之间的粘附力.3结果与讨论3.1石墨烯膜的拉曼光谱图1为所用样品的激光拉曼光谱图.其测试条件是在室温下进行,入射功率为20mW,激光波长为532nm,曝光时间为40s.从图中可以见到D峰在1374cm-1附近,G峰在1577cm-1附近,2D峰在2894 cm-1附近.根据以上峰位数据,可以确定在所制备的上层清液中的片层就是石墨烯.203.2真空中石墨烯的纳米摩擦性质1583Vol.29Acta Phys.-Chim.Sin.2013图2是云母表面不同厚度石墨烯薄层(3、4、7、13ML)的摩擦力曲线.由于未对所使用的探针进行横向扭转系数的标定,我们采用归一化的任意单位作为摩擦力的坐标.从图2中可以看出,随着层数的增加,摩擦力逐步降低.从拟合的曲线中可以看出从~4ML 之后,摩擦力仍在进一步降低,而摩擦系数(斜率)不再有明显变化.特别值得注意的是,当石墨烯的厚度达到7ML 以上时,在小载荷(10nN 以内)情况下,其摩擦系数接近于零,且摩擦力在一定实验误差范围内不再变化,这种特殊的摩擦性质在微纳机电系统中有着重要的应用前景.以上的摩擦力曲线均是在相同的扫描面积、扫描速率及温度下测得的,排除了外界因素的影响.由于表面粘附力是影响纳米摩擦性质的重要因素,因此,我们分别测量了这几个不同厚度石墨烯以及清洁云母的表面粘附力,发现在误差范围内数值上并无明显区别.综观之前一系列的研究,Filleter 等14发现在SiC 基底上双层石墨烯的摩擦力及摩擦系数小于单层石墨烯.Lee 等13发现在SiO 2/Si 基底上不同层数石墨烯的摩擦力及摩擦系数随着层数的增加而减小,到~4ML 之后,摩擦力及摩擦系数几乎就没有太大差异,且不同层数石墨烯的粘附力不可区分.另外Lee 等13还提到云母基底对上述现象有抑制的作用,但是我们在真空中的实验证明了尽管有一定抑制作用,但是这一摩擦性质仍然是存在的.这样也说明了无论是SiC 基底、SiO 2/Si 基底或云母基底,石墨烯的摩擦力随着层数的增加而减小,且摩擦系数也相应减小,到~7ML 之后几乎为零.这种现象是由于随着层数的增加,针尖与衬底之间较强的相互作用力逐渐被石墨烯的覆盖层屏蔽,即van der Waals 力的作用减弱,Lennard-Jones 势的吸引能以距离的负6次方衰减,也就是说随距离的衰减极快.大约7层石墨烯层后衬底的作用基本可以忽略,相应的摩擦力也就在一定的误差范围内不再变化.3.3真空中样品的磨损为了防止大气中的水蒸气等吸附物在表面形成的水膜所产生的毛细力影响实验结果,我们将磨损实验放入高真空中进行研究.在实验的扫描过程中针尖始终保持着对样品表面不超过1nN 的正压力.图3是真空环境下吸附在清洁云母表面的多层石墨烯逐渐磨损过程的AFM 形貌图.图3(a -f)分别对应着第2、3、4、5、8、20次扫描后得到的AFM 形貌图,其中图3(g)和3(h)分别是图3(b)和3(f)标记中的剖线图.另外,由于石墨分子层的理论层间距约为0.34nm,1从图3(g)可以看出约0.6nm 和约1.3nm 石墨烯的存在,它们分别对应着~2ML 和~4ML 石墨烯;图3(h)中均为~0.7nm 的石墨烯,即~2ML 石墨烯.从图3(b)和3(g)可以看出在磨损发生之前及磨损前期,石墨烯为~2ML 层和~4ML 层的组合;从图3(f)和3(h)可以看出磨损后期,~4ML 结构的石墨烯几乎磨损殆尽,但是~2ML 结构的石墨烯几乎完好无损.在AFM 图扫描次数达到8次后,其磨损状况基本达到了稳定,形貌图已经没有太大变化,之后又进行了二十余次扫描也没有大的磨损的发现.整个实验过程采用相同的扫描速率和扫描角度(方向),不同于大气环境下的石墨烯,在真空中样品表面包括水分子在内的气体吸附分子显著减少,样品表面的毛细作用力基本可以忽略弱化.另外,不同于大多数文章中将石墨烯放置到SiO 2或SiC 基底的研究,我们将石墨烯置于能达到原子级平坦的新鲜清洁云母片上,这样就可以在一定程度上抑制石墨烯的褶皱效应对摩擦力及磨损的影响.21,22以上的现图2云母上不同层数石墨烯的摩擦力对载荷关系图Fig.2Friction versus load curves for graphene films withdifferent layers on mica图1大量少层石墨烯的拉曼谱图Fig.1Raman spectrum of numerous graphene inseverallayers 1584朱齐荣等:石墨烯的纳米摩擦与磨损性质No.7象说明,尽管~4ML 石墨烯比~2ML 石墨烯拥有更低的摩擦力,但是~2ML 石墨烯拥有更大的耐磨损性能.我们推测,这可能是由于分子层数少,石墨烯覆盖层与云母衬底表面分子相互作用更强的缘故.13在研究表面科学中,基底的效应一向是不可忽略的,23,24随着样品表面与基底的距离增大,石墨烯与云母基底之间的相互作用力则相应变弱,因此在相同的针尖压力下,~4ML 结构的石墨烯比~2ML 结构更加容易被针尖破坏并带走.相对于其它材料,~2ML 石墨烯已经拥有很低摩擦力,与~4ML 石墨烯及石墨相差不是很大,且具有更好的抗磨性.这个实验现象说明,很可能~2ML 石墨烯更适合作为纳米机电系统等领域的固体润滑薄膜.3.4真空中不同扫描方向下石墨烯的磨损为了进一步验证我们的结论,考虑到石墨烯平面结构的对称性,我们改变了不同的扫描方向,以研究其磨损性质与原子排列方向的依赖性和关联性.图4是在图3的基础上改变不同扫描角度时石墨烯样品的AFM 形貌图.任选其中两个角度看表面的石墨烯片层厚度变化,由图4(e)和4(f)发现图4(a)和4(c)中的石墨烯厚度均为~0.7nm,即两个石墨烯单层的厚度.我们尝试变换了四个角度,分别为90°、-90°、-120°和-60°,且扫描次数分别达到22、23、27、33次,样品表面的磨损变化不大,特别是2ML 石墨烯依然几乎无损坏现象.这种现象,表明即图3云母上石墨烯磨损过程的AFM 形貌图Fig.3AFM topographic images of the wear process of graphene on micaFrom (a)to (f),the numbers of scans are 2,3,4,5,8,and 20,respectively.(g)and (h)are the line profiles of the marking parts in (b)and (f),respectively.The rotation of the images above is0°.Vol.29Acta Phys.-Chim.Sin.2013使在不同的针尖相对运动的方向上,2ML 的石墨烯始终具有相当好的耐磨性.由于摩擦力与表面的粘附力有着直接的关系,因此,我们对不同样品进行了粘附力的研究.图5给出的是大气环境(图中以AE 表示)和真空中(以VC 表示)不同厚度石墨烯和云母基底的表面粘附力的变化情况.云母基底不同于SiO 2基底,它更容易吸附水分子及杂质,但是在真空中这种效应会大大弱化.25从图中可见,大气的云母表面粘附力可达35nN,而在真空中可降到15nN 左右.真空下~2ML 石墨烯(~2MLG)与~4ML 石墨烯(~4MLG)几乎不可区分.由此可见,粘附力并非是影响不同石墨烯层数变化导致磨损性质不同的主要原因.经过采用力曲线的方法多次测量样品表面粘附力,发现表面出现了一些亮的点(图6).我们推测,这些高出表面的亮点应该就是粘在针尖表面的石墨烯碎片,说明前述磨损实验中被破坏掉结构的石墨烯碎片吸附在针尖的表面,但它们与针尖之间的相互作用并不是特别的强,在测量力曲线的过程图4不同扫描方向石墨烯AFM 形貌图Fig.4AFM topographic images of graphene at different scanning directionsFrom (a)to (d),the angles of the AFM topographic images are 90°,-90°,-120°,and -60°,respectively.The corresponding numbers ofscans are 22,23,27,and 33,respectively.(e)and (f)are the line profiles of the marking parts in (a)and (c),respectively.5大气和真空中的石墨烯和云母的粘附力Fig.5Adhesion for graphene and mica under the vacuum condition and the ambient environmentAE:ambient environment,VC:vacuum condition,2MLG:2-ML graphene,4MLG:4-ML graphene图6石墨烯碎片散落在样品表面的AFM 形貌图Fig.6AFM topographic image of graphene powder onthe surface of thesample朱齐荣等:石墨烯的纳米摩擦与磨损性质No.7中,容易出现脱落的现象,这也是为什么前面的磨损图(图3)上并未在磨损发生点附近观察到碎片石墨烯的缘故.有关这方面的研究今后还将进一步深入.4结论(1)HOPG片层置于无水乙醇中,控制超声的功率和溶剂温度,一定时间后,离心并取上层清液滴到干净的云母表面,可得到不同层数石墨烯,为进一步研究石墨烯的磨损性能提供了条件.(2)真空条件下,发现石墨烯薄层的摩擦力和摩擦系数都随着层数的增加而减小,到~7ML之后摩擦力在一定误差范围内不再变化,其摩擦系数趋近于零.(3)在磨损实验中数次扫描且改变扫描方向后,沉积在云母基底上的~2ML石墨烯比~4ML石墨烯具有更好的耐磨性质.这可能是因为随着石墨烯的层数的增加,其与基底的相互作用力逐步减弱,也就更容易被磨掉的原因.References(1)Novoselov,K.S.;Geim,A.K.;Morozov,S.V.;Jiang,D.;Zhang,Y.;Dubonos,S.V.;Grigorieva,I.V.;Firsov,A.A.Science2004,306,666.doi:10.1126/science.1102896(2)Castro Neto,A.H.;Guinea,F.;Peres,N.M.R.;Novoselov,K.S.;Geim,A.K.Rev.Mod.Phys.2009,81,109.doi:10.1103/RevModPhys.81.109(3)Balandin,A.A.;Ghosh,S.;Bao,W.Z.;Calizo,I.;Teweldebrhan,D.;Miao,F.;Lau,C.N.Nano Lett.2008,8(3),902.doi:10.1021/nl0731872(4)Geim,A.K.;Novoselov,K.S.Nat.Mater.2007,6,183.doi:10.1038/nmat1849(5)Geim,A.K.Science2009,324,1530.doi:10.1126/science.1158877(6)Novoselov,K.S.;Geim,A.K.;Morozov,S.V.;Jiang,D.;Katsnelson,M.I.;Grigorieva,I.V.;Dubonos,S.V.;Firsov,A.A.Nature2005,438,197.doi:10.1038/nature04233(7)Hummers,W.S.;Offeman,R.E.J.Am.Chem.Soc.1958,80(6),1339.doi:10.1021/ja01539a017(8)Hamilton,C.E.;Lomeda,J.R.;Sun,Z.;Tour,J.M.;Barron,A.R.Nano Lett.2009,9(10),3460.doi:10.1021/nl9016623(9)Renia,A.;Jia,X.T.;Ho,J.;Nezich,D.;Son,H.;Bulovic,V.;Dresselhaus,M.S.;Kong,J.Nano Lett.2009,9(1),30.doi:10.1021/nl801827v(10)Obraztsov,A.N.Nat.Nanotechnol.2009,4,212.doi:10.1038/nnano.2009.67(11)Berger,C.;Song,Z.;Li,X.;Wu,X.;Brown,N.;Naud,C.;Mayou,D.;Li,T.;Hass,J.;Marchenkov,A.N.;Conrad,E.H.;First,P.N.;de 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石墨烯摩擦学及石墨烯基复合润滑材料的研究进展
近年来，随着新型润滑材料的不断发展，石墨烯摩擦学和石墨烯基复合润滑材料的研究也随之受到了极大的关注。

石墨烯摩擦学是一门复杂的科学，它使得石墨烯的摩擦系数及受力机制的研究变得十分重要。

在摩擦学方面，石墨烯的受力机制因其原子结构的特点而受到广泛的研究，并且已经取得了很多突破。

例如，比较细致的有关团簇行为的计算研究表明，石墨烯具有较低的剥离力、抗滑移力以及抗压力等特性。

此外，石墨烯的摩擦学性能还受到抗磨损的因素的影响。

诸如温度、湿度等环境因素都可能影响石墨烯表面的摩擦性能，这在摩擦学领域也有其重要性，因此也是一个需要被进一步研究的问题。

石墨烯基复合润滑材料的研究也受到了广泛关注。

这种复合材料具有优异的润滑性能和耐磨损性能，因而可以保持持久不变的摩擦力学性能。

在有关石墨烯复合润滑材料的研究中，研究人员已经研究出了一些有效的方法来改善石墨烯的摩擦性能，从而可以在润滑材料中获得更佳的性能。

其中，最常见的方法是将石墨烯和其他润滑材料混合制成复合材料，从而可以获得较好的润滑性能。

此外，将石墨烯添加到油脂中也是一种有效的方法，尤其是在高温环境下，石墨烯可以提供良好的润滑性能，这也从另一个角度显示了石墨烯基复合润滑材料的潜力。

总之，石墨烯摩擦学和石墨烯基复合润滑材料的研究已经取得了长足的进展，未来将继续研究石墨烯的摩擦学性能和受力机制，并且利用石墨烯基复合润滑材料来改善润滑油脂的性能，以适应不断发展的润滑材料需求。

石墨烯在润滑材料中的应用潜力及研究方向导读随着科技的飞速发展以及机械制造技术的日益提高，各行业领域设备都出现了高速、重载的工作状态，摩擦和磨损也成为业内人士遇到的最普遍的问题之一。

因此，人们对润滑油的高温承载能力以及减摩抗磨性能提出了更高的要求，而以石墨烯为代表的新一代碳纳米润滑复合材料也逐渐成为当前研究的热点之一。

一、石墨烯纳米添加剂摩擦机理石墨烯具有特殊的二维纳米层状结构、高的机械强度和导热性，并且是碳质固体润滑材料的基本结构单元。

实验研究表明，随着石墨烯的添加，石墨烯不断覆盖在摩擦副表面，摩擦副表面的粗糙度被石墨烯表面的粗糙度所替代，所以润滑机理逐渐趋向薄膜润滑，润滑油力学性能有所提高。

当石墨烯质量分数不断增加时，石墨烯在摩擦副表面堆积，阻断润滑油膜的形成，润滑油的摩擦性能反而下降。

石墨烯纳米添加剂摩擦机理示意图综合考虑干摩擦与薄膜润滑机理，当只有润滑油基础油工作时，其润滑处于临界状态，同时存在干摩擦与薄膜润滑；当有适当质量分数的石墨烯参与润滑时，薄膜润滑占主导地位，摩擦因子较低；当石墨烯质量分数较高时，石墨烯间的干摩擦作用凸显，且逐渐占据主导地位，摩擦因子不断上升。

二、石墨烯纳米润滑材料的潜力目前的润滑油市场中，传统润滑油依然占据主导地位，但由于其润滑能力有限以及添加含硫、磷、氯等元素的添加剂对环境造成严重污染，无法满足现今的工作需求。

而石墨烯因纳米材料具有减摩抗磨机理且不含有污染元素而成为了潜在的高性能纳米润滑材料。

1、碳纳米润滑油添加剂粒径小，在基础油中分散均匀，并可以填充摩擦副表面的划痕，起到修复作用；而且纳米颗粒以胶体的形式分散在油中，不易形成堵塞。

2、石墨烯具有原子薄的厚度和低剪切强度的层状结构，作为各种材质微纳器件的抗黏、减摩防护薄膜，单层、三层及多层石墨烯基纳米润滑薄膜能够显著减小基底表面的摩擦系数和耐久寿命。

3、高的机械强度和热导率使得石墨烯作为润滑油、水、离子液体等介质的润滑抗磨添加剂，在摩擦界面形成的石墨烯摩擦吸附膜和对偶表面转移膜，阻止了摩擦副的直接接触，显著提高了润滑剂的承载性能和摩擦副的抗磨性色。

石墨材料的耐磨性能研究简介：石墨作为一种重要的材料，在不同的行业中得到了广泛的应用。

耐磨性是一个材料重要的性能指标，特别是在涉及到磨擦、摩擦、磨削和刮擦等情况下。

本文将探讨石墨材料的耐磨性能，研究其在不同条件下的表现，并探索提高其耐磨性能的方法。

一、耐磨性能的评估指标1. 表面硬度表面硬度是衡量耐磨性能的重要指标之一。

石墨材料的硬度通常较低，所以很容易受到磨损。

通过测量石墨材料的硬度，可以预测其在使用过程中的耐磨性。

2. 磨磨损率石墨材料的磨损率也是评估其耐磨性能的指标之一。

磨损率可以通过磨损试验来确定，例如滑动磨损实验和磨料磨损实验。

通过测量磨损前后样本的质量变化和表面形貌，可以计算出磨损率。

二、石墨材料的耐磨性能研究1. 磨损机理研究了解石墨材料的磨损机理对于提高其耐磨性能至关重要。

石墨材料主要通过磨擦产生磨粒而损耗，因此，研究石墨材料的磨损机理可以为改善其耐磨性提供指导。

通过扫描电子显微镜、红外光谱等手段，可以观察并分析石墨材料的磨损过程和表面形貌的变化。

2. 添加增强剂石墨材料的耐磨性能可以通过添加适当的增强剂来改善。

例如，添加金属粉末、碳纤维等增强剂可以提高石墨材料的强度和硬度，从而提高其耐磨性能。

这是因为增强剂可以填充石墨材料的微孔，增加其密度和抗磨性。

3. 表面处理技术表面处理技术在提高石墨材料的耐磨性方面扮演着重要的角色。

例如，通过离子注入、电镀、化学蒸镀等方法，可以在石墨材料表面形成耐磨性的涂层，以减少磨损。

此外，石墨材料的表面处理还可以改变其表面形貌和化学成分，从而影响其摩擦与磨损性能。

4. 环境因素影响研究石墨材料的耐磨性能受环境因素的影响。

例如，湿度、温度、气氛等因素都会对石墨材料的耐磨性产生影响。

对这些因素的研究可以帮助我们了解石墨材料在不同环境条件下的耐磨性能，并为其应用提供技术支持。

三、未来展望石墨材料的耐磨性能研究在材料科学领域中具有重要意义。

随着新材料和新技术的不断涌现，我们对石墨材料的磨损机理和耐磨性能的研究将会更加深入。

石墨烯增强铜基复合材料的制备及摩擦学行为研究石墨烯增强铜基复合材料的制备及摩擦学行为研究摘要：石墨烯作为一种新型的二维纳米材料，在复合材料领域具有巨大的应用潜力。

本研究以石墨烯为增强相，通过粉末冶金方法成功制备出石墨烯增强铜基复合材料。

通过扫描电镜和X射线衍射分析表明，石墨烯均匀分散在铜基复合材料中，并且未改变铜基复合材料的晶体结构。

在摩擦学性能方面的研究表明，石墨烯的加入显著改善了复合材料的摩擦学性能，包括摩擦系数的降低和摩擦磨损的减轻。

本研究结果为石墨烯在摩擦学领域的应用提供了新思路。

关键词：石墨烯；增强铜基复合材料；粉末冶金；摩擦学行为1. 引言石墨烯作为一种新型的二维纳米材料，具有极高的机械强度、导热性和导电性等优异性能。

这些优良性能使得石墨烯成为材料领域的研究热点。

近年来，石墨烯被引入到复合材料中，以提升其力学性能和摩擦学性能。

其中，石墨烯增强金属基复合材料因其具有良好的耐热性和高导电性而备受关注。

本研究旨在制备石墨烯增强铜基复合材料，并研究其摩擦学行为。

2. 实验方法本实验采用粉末冶金法制备石墨烯增强铜基复合材料。

首先，在球磨机中将石墨烯和铜粉混合球磨20小时，以实现二者的均匀分散。

然后，将混合物转移到模具中，施加高压条件下进行热压烧结。

最后，通过热处理和机械磨削等工艺得到所需的样品。

制备出的样品经过扫描电镜和X射线衍射分析进行表征。

3. 结果与讨论通过扫描电镜观察，可以明显观察到石墨烯在铜基复合材料中的分散情况。

图1显示了石墨烯和铜基复合材料的SEM图像。

可以看出，石墨烯均匀分散在铜基复合材料的基体中，未出现明显的团聚现象。

这表明石墨烯在热压烧结过程中成功地与铜粉充分混合并均匀分散。

通过X射线衍射分析，可以发现石墨烯的加入并未改变铜基复合材料的晶体结构。

图2显示了石墨烯增强铜基复合材料和纯铜的XRD谱图。

可以看出，两者的衍射峰位置和强度基本一致，符合铜的标准衍射峰。

因此，石墨烯的加入并未引起铜基复合材料晶体结构的改变。

期末报告学 院：材料工程学院专 业：材料工程学 号：姓 名：任课教师：赵元聪日期：20160107石墨烯的表面改性以其摩擦学中的应用摘要介绍石墨烯特点的基础上，综述了石墨烯表面改性的研究情况，包括有机小分子及聚合物改性无机改性以及元素掺杂等，同时总结了石墨烯在摩擦领域中的应用，如作为润滑油添加剂，制备纳米复合材料，制备润滑膜等，并展望了其在该领域中未来的研究方向。

1.介绍石墨烯是碳原子以SP2杂化的单层堆积而成的蜂巢状二维原子晶体，其化学形态与碳纳米管外表面相似，表面结构较碳纳米管更为开放，且杨氏模量和本征强度也可与碳纳米管相媲美，从而表现出与碳纳米管相似的应用特性，如良好的韧性和润滑性，可用于耐磨减损材料及润滑剂的制备等。

近年来，石墨烯优异的摩擦性能已引起了人们越来越多的关注，其片层滑动，摩擦磨损机理及在摩擦领域的应用已有诸多研究和报道。

然而，结构完整的石墨烯化学稳定性高，与其他介质相互作用较弱，且层间存在很大的范德华引力，难以在许多常见溶剂中分散形成稳定的溶液，给石墨烯的进一步研究和应用造成了极大的困难。

本文重点介绍石墨烯的表面改性研究进展及其在摩擦领域中的相关应用。

2.制备方法简介2004年Geim等[1]首次用微机械剥离法成功获得单层的石墨烯以来其特有的电学、热学、力学等性质引起了科学家的广泛关注。

随着研究的深入展开,石墨烯的制备方法也越来越多样化，目前主要的方法有微机械剥离法、氧化还原法、溶剂剥离法、化学气相沉积法和外延生长法等[2]。

由于石墨烯超薄的厚度及优异的摩擦性能，使其在纳米尺寸数据存储设备、纳米复合材料和纳米机电系统中具有很大的潜在应用价值。

这就使得石墨烯与其它材料接触时表面的相互作用研究，如摩擦力、粘附力和磨损等,显得尤为重要。

3.石墨烯的表面改性石墨烯的化学性质十分稳定，但外侧富含缺陷和悬键，且其边缘和基面还存在着不少未被还原的含氧官能团，因此具有与其他物质发生反应的能力，通过化学反应，可对石墨烯进行表面改性，使其带有不同的官能团，提高其在溶剂中的分散性及与聚合物的复合性。