LICP OpenIR  > 固体润滑国家重点实验室(LSL)
新型碳基量子点润滑材料的设计制备及摩擦学性能研究
强睿斌
Thesis Advisor王金清 ; 丁勇
2020-08-28
Degree Grantor中国科学院大学
Place of Conferral北京
Degree Name理学博士
Degree Discipline物理化学
Keyword碳基量子点 电泳沉积 润滑添加剂 润滑涂层 摩擦学性能
Abstract较低的层间剪切力赋予二维(2D)石墨烯良好的润滑性能。但是,较大的片层尺寸使其在普通溶剂和润滑油中的分散稳定性差,即使经过复杂的化学或物理改性,依然容易在分散介质中聚集沉降,从而使其无法完全发挥功效甚至失效。一个直接有效的策略就是降低其维度减少其尺寸,使之成为零维(0D)碳基量子点(CBQDs)纳米材料,从根本上解决2D石墨烯分散稳定性差的问题。因此,本论文围绕石墨烯量子点(GQDs)、氟化石墨烯量子点(FGQDs)、碳量子点(CQDs)、氮掺杂碳量子点(NCQDs)等纳米材料的制备展开。基于润滑添加剂和润滑涂层这两种摩擦学的应用形式,研究并揭示了上述一系列CBQDs纳米材料的摩擦学特性以及维度和尺寸的减少对材料摩擦学性能的影响。论文主要研究内容和结果总结如下: 1.采用水热切割、电化学微调技术和超声辅助合成等方法制备了一系列具有小尺寸高水溶性的CBQDs纳米材料。其中,水热切割氧化石墨和氟化石墨前驱体制备了GQDs和FGQDs,所得GQDs的平均尺寸约为2 nm、呈亮绿色荧光,FGQDs的平均尺寸约为3.5 nm、呈黄绿色荧光;电化学技术微调氧化石墨尺寸和维度的制备工艺简易,通过控制电化学反应时间可制得0D GQDs、1D石墨烯纳米带(GNRs)和2D小尺寸石墨烯纳米片(GNSs)。其中,GQDs的平均尺寸约为2 nm,GNRs的平均宽度和长度分别约为30和800 nm,GNSs的平均尺寸约150 nm,材料均呈蓝色荧光。以马铃薯淀粉为原料超声辅助合成CQDs的制备成本较低,CQDs的平均尺寸约为3.5 nm,呈绿色荧光。通过研究上述一系纳米材料的尺寸、形貌和光学性能,可观察到纳米材料的光致发光性能与其尺寸效应密切相关,小尺寸的量子点材料表现出与激发光无关的光致发光特征;较大尺寸的GNRs和GNSs材料表现出与激发光依赖的光致发光特征。 2. 基于小尺寸和高水溶性的特点,GQDs作为一种水基润滑添加剂能够使水的摩擦系数降低42.5%(从 0.41 降低到 0.23)、磨损率降低58.5%(从14.70 μm3/N·s降低到 6.11 μm3/N·s)。这是因为在摩擦过程中,GQDs表面的负电荷与金属表面的正电荷通过静电引力使GQDs吸附于磨损表面,形成润滑保护膜,有效阻隔摩擦副直接接触,从而大幅度提高水的摩擦学性能。此外,与在水中加入大尺寸的2D氧化石墨烯纳米片添加剂的对照样品相比,在相对低的浓度下,GQDs添加剂的润滑效果更为显著。其次,以CQDs作为剥离试剂剥离氟化石墨,获得CQDs修饰的氟化石墨烯(FG)复合物(FG/CQDs)。基于CQDs表面大量的亲水官能团,FG/CQDs复合物在水中具有较好的分散稳定性,其水分散液静置半年后无明显沉淀出现。FG/CQDs复合物作为水基润滑添加剂能够使水的摩擦系数减少达61.5%(从 0.41 降低到 0.15)、磨损率降低约79.2%(从19.3 μm3/N·s降低到 3.7 μm3/N·s),其摩擦学性能优于单纯CQDs添加剂的性能,这是复合物中2DFG易滑动的层间结构和0D CQDs良好的分散稳定性的协同作用导致的结果:FG易滑动的层间结构赋予其低的摩擦系数,CQDs的修饰作用进一步改善FG在摩擦界面的嵌入稳定性,促进界面摩擦膜的生成,有效避免了摩擦副界面的直接接触,从而起到显著的减摩抗磨作用。 3. 以廉价的生物质废弃物葵花子壳为原料,通过一步水热法制备得到尺寸均一的NCQDs,实现了废弃物的高效利用。NCQDs的平均尺寸约为2 nm,呈深蓝色荧光。将NCQDs作为润滑油添加剂超声分散于液体石蜡油中,基于NCQDs的小尺寸有利于其在润滑油中的稳定分散以及其准球形结构使其在摩擦界面上扮演着“纳米滚珠”的角色。NCQDs能够使液体石蜡油的平均摩擦系数减少近53.6%(从 0.26 降低到 0.13),磨损率降低87.9%(从0.19 μm3/N·s降低到 0.02 μm3/N·s),显著提高其抗磨损寿命至3600s以上。 4. 以碳基量子点水分散液为原料,采用电泳沉积(EPD)技术分别获得石墨烯量子点涂层(GQDCs)和氟化石墨烯量子点涂层(FQDCs)材料。GQDCs的厚度可通过改变沉积电压调控在50至350 nm范围内;FQDCs的氟含量可通过调节沉积电压来调控,30V电压沉积得到的涂层具有较高的氟含量。基于碳基量子点的小尺寸特性以及在水中极佳的分散稳定性,制备得到的润滑涂层均匀、致密、光滑与基底结合牢固。由于摩擦过程中,众多量子点在摩擦力作用下从涂层本体分离出来,在摩擦界面上相互滑动形成层流滑移效应,GQDCs能够使纯硅片的摩擦系数降低约85%(从 0.43 降低到 0.068);FQDCs能够使纯硅片的摩擦系数降低约82%(从 0.255 降低到 0.045)。两种涂层材料的摩擦系数均与其表面粗糙度线性相关,粗糙度越低摩擦系数越低;对于FQDCs而言,高氟含量赋予FQDCs低的摩擦系数和较好的耐磨性。
Language中文
Document Type学位论文
Identifierhttp://ir.licp.cn/handle/362003/27341
Collection固体润滑国家重点实验室(LSL)
Affiliation1.中国科学院兰州化学物理研究所;
2.中国科学院大学
Recommended Citation
GB/T 7714
强睿斌. 新型碳基量子点润滑材料的设计制备及摩擦学性能研究[D]. 北京. 中国科学院大学,2020.
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