納微結構Cu/氧化石墨烯的制備及摩擦學(xué)性能研究

2015-01-22 王正奇 聊城大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院

　　以CuSO4與氧化石墨烯為原料利用原位還原技術(shù)制得納微米結構銅/氧化石墨烯復合微粒。利用透射電鏡(TEM) 、場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡(FESEM) 和X 射線(xiàn)衍射(XRD) 對Cu /氧化石墨烯復合微粒進(jìn)行表征。將復合微粒修飾并添加到液體石蠟中，利用四球摩擦磨損試驗機考察其摩擦學(xué)性能。結果表明，利用原位還原技術(shù)制備的納微米結構的Cu /氧化石墨烯復合微粒中銅的粒徑在100 nm 之內；在392 N、1 450 r /min、30 min 實(shí)驗條件下，質(zhì)量分數2.0% 的復合微�？墒挂后w石蠟的摩擦因數下降33%，質(zhì)量分數0.5%的復合微�？墒逛撉蚰グ咧睆较陆�25%。

　　碳材料由于具有優(yōu)異的物理和化學(xué)性質(zhì)成為近期研究的熱點(diǎn)。隨著(zhù)碳素材料的發(fā)展，碳素家族相繼出現了碳納米管、石墨烯等新成員。石墨烯是單層碳原子緊密排列而形成的一種炭質(zhì)新材料，具有單層二維蜂窩狀晶格結構，是目前世界上公認的最薄的二維材料( 厚度只有0. 335 nm) 。由于其特殊的微觀(guān)結構，石墨烯具有極好的力學(xué)、熱導性和電學(xué)性能，在微電子、信息、能源、材料和生物醫藥等領(lǐng)域具有重大的應用前景。

　　納米材料是一種尺度在100 nm 以?xún)鹊牟牧�，廣泛應用于催化、力學(xué)、材料摩擦學(xué)等領(lǐng)域。金屬銅納米材料在導電墨水、高效催化劑和潤滑劑等應用領(lǐng)域顯現出巨大的應用前景。作為潤滑添加劑，納米銅能顯著(zhù)提高油品的耐磨性和抗壓性。歐雪梅等在四球摩擦試驗機和萬(wàn)能摩擦磨損試驗機上考察了納米銅的摩擦學(xué)行為。研究表明，納米銅能顯著(zhù)提高潤滑油的減摩抗磨性能，其中在高載下納米銅對抗壓能力的提高更為明顯。在失油的條件下，納米銅在摩擦副表面能發(fā)生冶金結合，使磨斑直徑減少一半，表現出優(yōu)異的減摩抗磨性能。

　　研究表明，將銅和碳復合能制備出性能更優(yōu)異的潤滑油減摩抗磨劑。如曹宏等人研究了經(jīng)硅烷偶聯(lián)劑和其他分散劑修飾的納米銅/石墨復合添加劑的摩擦學(xué)性能，所用基礎油為市售長(cháng)城CF-420W/F 汽車(chē)用柴油機油。研究發(fā)現納米銅/石墨復合粉體可顯著(zhù)增大潤滑油的承壓能力和降低摩擦因數，特別是高載荷下的摩擦因數，并可提高其抗磨能力。真空技術(shù)網(wǎng)(http://likelearn.cn/)認為氧化石墨烯相對于石墨烯而言具有更多的—OH 等極性鍵，有利于與其他材料的復合。本文作者利用原位復合技術(shù)制備了納微米結構銅/氧化石墨烯復合微粒，將所制備的復合微粒進(jìn)行表面修飾后考察了其摩擦學(xué)性能，發(fā)現復合微粒能起到顯著(zhù)的減摩抗磨作用。

1、實(shí)驗部分

　　1.1、實(shí)驗材料

　　主要材料: CuSO4·5H2O (AR，天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司生產(chǎn))；80% 水合肼(AR，天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司生產(chǎn))；液體石蠟(CP，西隴化工股份有限公司生產(chǎn)) ，修飾劑( 實(shí)驗室自制)；氨水(AR，天津科密歐化學(xué)試劑有限公司生產(chǎn)) 。

　　1.2、實(shí)驗過(guò)程

　　向三口瓶中加入100 mL 蒸餾水，再加入20 mL水合肼，在油浴鍋中攪拌均勻，同時(shí)再分別加入不同含量的氧化石墨烯與20 mL 質(zhì)量分數為5% 的CuSO4溶液、20 mL 氨水配成相應的溶液，升高溫度至80℃保溫3 h，經(jīng)冷卻、抽濾得目的產(chǎn)物。取一定量的目的產(chǎn)物用自制的修飾劑修飾，加入到液體石蠟中考察其摩擦學(xué)性能。

　　1.3、樣品表征及摩擦學(xué)性能測試

　　采用JSM-6380LV 掃描電子顯微鏡及其所附帶的EDS 分析物質(zhì)元素的組成；利用JEOL JSM-6701SEM型冷場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡JEM-1200 EX 型透射電鏡研究復合材料的形貌；利用德國B(niǎo)RUKER D8 ADVANCEX 射線(xiàn)衍射儀對粉體的晶相組成進(jìn)行分析；利用濟南試金集團生產(chǎn)的MRS-10A 四球摩擦磨損試驗機考察其減摩抗磨能力。

2、結果與分析

　　2.1、分析結果

　　圖1 所示為納微米結構Cu /氧化石墨烯復合微粒的FE-SEM 照片和TEM 照片，發(fā)現銅微粒的粒徑100nm 之內且有一定團聚現象。銅微粒擔載于片狀氧化石墨烯之上，石墨烯的片層厚度約10 nm，可以推論氧化石墨烯為多層結構。

納微米Cu /氧化石墨烯復合微粒的FE-SEM圖和TEM圖

圖1 納微米Cu /氧化石墨烯復合微粒的FE-SEM 圖和TEM 圖

　　圖2 所示為納微結構Cu /氧化石墨烯復合微粒的EDS 分析，發(fā)現粉末中含有C、O、Cu 等元素，證明了氧化石墨烯和銅的存在。

納微米Cu/氧化石墨烯復合微粒的EDS 分析結果

圖2 納微米Cu/氧化石墨烯復合微粒的EDS 分析結果

　　圖3 所示為Cu 微粒和Cu /氧化石墨烯復合微粒的XRD 分析結果�？梢�(jiàn)，所生成的銅為面心立方，2θ 在43.5°、50.4°、74.2°分別對應(111) 、(200) 和(220) 面；Cu /氧化石墨烯復合微粒，除了具備單質(zhì)銅的所有峰之外，還存在氧化石墨烯的(002) 峰，證明了氧化石墨烯的存在。氧化石墨烯在2θ = 10.8°對應于層間距0.7 nm。石墨的XRD 峰位于2θ =26.6°強烈而尖銳對應于層間距為0.33 nm。氧化后石墨的衍射峰消失，表明石墨嚴重氧化，層間距增加形成氧化石墨烯。

納微米Cu/氧化石墨烯復合微粒的XRD分析結果

圖3 納微米Cu/氧化石墨烯復合微粒的XRD分析結果

　　2.2、摩擦學(xué)性能

　　將所制備的Cu/氧化石墨烯復合微粒用實(shí)驗室自制的修飾劑修飾，添加到液體石蠟中考察其摩擦學(xué)性能，添加劑的質(zhì)量分數為0.5% ～2%。實(shí)驗在MRS-10A 四球摩擦磨損試驗機上進(jìn)行，試驗載荷為392 N，運行頻率為1 450 r /min，運行時(shí)間為30 min。圖4 所示為Cu/氧化石墨烯復合微粒經(jīng)修飾作為添加劑添加到液體石蠟中測得的摩擦因數，發(fā)現當復合微粒質(zhì)量分數為2.0% 時(shí)基礎油的摩擦因數由0.03 降低到0.02，減小了33%。

Cu/氧化石墨烯復合微粒的摩擦因數

圖4 Cu/氧化石墨烯復合微粒的摩擦因數

　　圖5 所示為Cu/氧化石墨烯復合微粒作為添加劑時(shí)測得的鋼球磨斑直徑，發(fā)現添加復合微粒后，鋼球磨斑直徑減��；當復合微粒質(zhì)量分數為0.5% 時(shí)鋼球磨斑直徑由基礎油潤滑時(shí)的0.60 nm 降低到0.45 nm左右，減小了25%；而當復合微粒質(zhì)量分數繼續增加時(shí)，鋼球磨斑直徑相差不大。

Cu /氧化石墨烯復合微粒的磨斑直徑

圖5 Cu /氧化石墨烯復合微粒的磨斑直徑

3、結論

　　(1) 利用原位還原技術(shù)制備了納微米結構的Cu /氧化石墨烯復合微粒，銅的粒徑在100 nm 之內。XRD 分析顯示，CuSO4·5H2O 被還原為純銅。

　　(2) 修飾后的納微米結構Cu /氧化石墨烯復合微�？娠@著(zhù)提高液體石蠟的摩擦學(xué)性能，其中質(zhì)量分數2.0%的復合微�？墒挂后w石蠟的摩擦因數減小33%，質(zhì)量分數0.5%的復合微�？墒逛撉蚰グ咧睆浇档�25%。