冻干石墨烯/铜纳米添加剂及其摩擦性能研究

【摘要】：石墨烯和纳米铜作为纳米添加剂都能够改善润滑油的摩擦性能,但纳米添加剂普遍存在表面能大、易发生团聚的问题。石墨烯比表面积大、表面存在褶皱,能够负载纳米粒子,发挥协同作用。本研究拟将纳米铜粒子附着到石墨烯片层上,以减少其团聚,发挥其协同减摩抗磨作用。由于冻干纳米粒子有粒径均匀、无硬团聚的优点,若在前驱体制备时将石墨烯和铜复配,便可一步制备出石墨烯基铜,有望减少其团聚,提高分散均匀性,进一步改善润滑油的摩擦性能。具体研究如下:(1)以水合肼为还原剂对氧化石墨烯进行还原得到了石墨烯的前驱体溶液,然后进行冷冻干燥制备了石墨烯,并对粉体的微观形貌和物相进行表征。结果表明:冻干法制备的石墨烯横向尺寸为2-3μm,厚度为3.7nm,层数为4-7层,且无硬团聚。(2)使用水合肼将氧化石墨烯和五水硫酸铜一步还原得到了石墨烯基铜的前驱体溶液,然后进行冷冻干燥制备出了石墨烯基铜,并对粉体的微观形貌和物相进行表征。为了探求工艺参数对石墨烯基铜粒径的影响,进行了四因素三水平的正交实验,通过分析实验结果得出各个因素的影响顺序为冻结方式还原剂添加量反应温度物料厚度,同时得到了石墨烯基铜的较优制备工艺。结果表明:冻干石墨烯基铜的横向尺寸为0.7-4.4μm,厚度为2.84-3.47nm,层数为3-6层,厚度和层数均低于单独制备的石墨烯,且铜粒子均匀分散地附着到了石墨烯片层上,说明利用冻干工艺一步还原制备石墨烯基铜可将纳米铜均匀附着到石墨烯片层上,减少石墨烯的团聚和堆叠。(3)研究了冻干石墨烯和石墨烯基铜的分散稳定性和摩擦性能。结果表明:冻干石墨烯和石墨烯基铜具有比市售石墨烯更优良的分散稳定性。石墨烯和石墨烯基铜的较优添加浓度分别为0.05wt%和O.10wt%,在较优添加浓度下,石墨烯基铜油样的平均摩擦系数比基础油和石墨烯油样分别降低了 23.1%和6.1%,磨痕宽度分别降低了 62.3%和55.3%,具有比石墨烯单剂更好的润滑效果,这主要是由于石墨烯基铜能够产生协同作用。通过不同工况下的摩擦实验,发现石墨烯单剂适合中载高速工况,石墨烯基铜在重载高速工况下更能发挥其减摩抗磨性能。(4)为了研究石墨烯/铜的减摩抗磨机理,利用分子动力学理论,分别建立了铜、石墨烯、石墨烯基铜纳米流体模型,从微观角度模拟了纳米粒子在基础流体中的摩擦行为。结果表明:纳米铜粒子在摩擦副间的运动既有平移又有旋转,能够发挥自修复作用和滚珠轴承效应;石墨烯可吸附在摩擦副表面形成保护膜;在较大载荷下石墨烯基铜更易在摩擦副表面形成保护膜,与纳米铜粒子的自修复效应和滚珠轴承效应产生协同作用,提升基础流体的润滑性能,与石墨烯基铜在重载工况下更能发挥其减摩抗磨性能的实验结果相一致。