● 摘要
近年来,随着石墨烯研究在各学科领域的崛起,与之结构相似、层间以范德华力相结合的二维纳米材料也受到研究人员的重视。在基本性质和应用研究蓬勃发展的同时,其高质量纳米片层的制备研究工作起着支撑的作用, 并且宏量制备是主要发展方向。另外,二维纳米材料的摩擦性能作为一个起步较晚的研究课题,目前相关研究较少,但其优异的润滑与抗磨损性质已经引起广泛关注。 针对以上研究背景, 本文主要围绕二维纳米材料的液相剥离制备方法及其摩擦性能, 开展了系列的实验研究工作, 主要研究内容包括以下五部分:
(1)开展了射流空化方法制备二维纳米材料的实验优化研究。通过研究实验条件(空化处理时间、射流压力、初始粉浓度等)对制备产率和形貌的影响,优化了制备条件,使射流空化装置的制备产率大幅提高,具有宏量制备的优势。
(2)在研究射流空化方法制备石墨烯的实验中,发现新的实验现象,即当射流压力提高至一定值(如 30 MPa)时,石墨烯片层会出现许多微孔洞,使其具有特殊的应用价值。与其它制备多孔石墨烯的技术相比,射流空化方法既能够达到相应的孔隙度,同时也能保证石墨烯的低氧化性,并且具有宏量制备的潜力。
(3) 将射流空化法制备的本征石墨烯用作液体润滑剂添加剂加入基础油或纯水中,制成石墨烯增强的油基或水基润滑剂,并分别用四球(依据 ASTM 标准)和球盘摩擦实验机对其摩擦性能进行了实验研究,结果使油基和水基润滑剂的摩擦系数分别降低了28.6%和 22.8%,磨损率降低了 23.1%和 44.4%。 说明石墨烯可以作为抗磨减摩的润滑添加剂。
(4)提出了原位制备二维纳米材料水基润滑剂的方法,即在非离子表面活性剂曲拉通 TX100 水溶液中,原位制备二维纳米材料水基润滑剂,并利用这种方法制备了系列二维纳米材料(石墨烯、MoS2、WS2、h-BN)水基润滑剂。钢-钢球盘摩擦实验结果
表明,摩擦系数和磨损率最高可分别降低 81.3%和 98%。
(5)结合二维纳米材料润滑剂的摩擦实验结果,研究了分散液稳定性、界面润湿性、添加浓度、实验载荷、纳米片层尺寸等因素对润滑剂摩擦性能的影响,总结了二维纳米材料作为液体润滑剂添加剂的抗磨减摩机理。
综上所述, 本论文的研究工作一方面为射流空化方法宏量制备高质量二维纳米材料提供了实验依据, 有利于推动其工业化生产的进程; 另一方面对二维纳米材料的摩擦性能进行了系统的实验研究与理论分析,这些研究成果对其在工程实际中的推广和应用都具备较强的指导意义。
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