| 二维纳米材料基多层复合薄膜的构筑及摩擦学性能研究 | |
| Alternative Title | 无 |
| 陈海杰 | |
| Thesis Advisor | 冯大鹏,乔旦 |
| 2022-05-20 | |
| Degree Grantor | 中国科学院大学 |
| Place of Conferral | 北京 |
| Degree Name | 工学博士 |
| Degree Discipline | 材料学 |
| Keyword | 二维纳米材料，高性能润滑剂，协同润滑，复合薄膜 |
| Abstract | 当今时代面临能源与环境的双重战，摩擦磨损造成的能量损失大约占据了全球总能量的三分之一。二维纳米材料在与高性能润滑剂复合后的润滑系统既保留了二维材料的高承载能力、低挥发性等优点，又突出了液体润滑的自修复能力强、对环境敏感性低等优点，从而表现出协同效应。当液体润滑剂失效时，二维材料还可以承载负荷并充当备用润滑剂。本论文采用自组装的方法在多种基底表面设计制备了几种二维纳米材料与高性能润滑剂复合的多层薄膜，并对复合薄膜的摩擦学性能进行了考察和探究。主要内容和结论有以下几点： 1．硅片表面二维过渡金属碳化物（MXene）复合全氟聚醚衍生物润滑膜的制备及摩擦学性能研究。首先我们成功地合成并剥离了 MXene，并利用聚多巴胺（PDA）原位聚合对剥离后的 MXene 纳米片进行表面改性。之后我们采用自组装的方法制备了多种 MXene 基复合全氟聚醚酰（HOAC）薄膜，对其表面形貌、厚度、润湿性进行了表征，重点对摩擦学性能和润滑机理进行了研究。结果表明，与未修饰的 MXene 基薄膜相比，经 PDA 改性的 MXene 基薄膜的摩擦系数降低，承载能力增强。结果表明 Si-MX/PDA-HOAC 薄膜在硅/钢界面形成了含 Fe2+的润滑边界膜。总之，这种优异的摩擦学性能归因于 MXene 纳米片作为负载层，PDA 作为结合基底的粘结剂，HOAC 作为润滑层的共同作用。 2．硅片表面氧化石墨烯基多层自组装润滑膜的设计及摩擦学性能研究。为 了增强基底的结合力以及界面间的相互作用，我们采用化学键驱动的自组装方法将 3-氨基丙基三乙氧基硅烷（APS）、氧化石墨烯（GO）、全氟聚醚酰氟（HOAF）和全氟聚醚（PFPE）在羟基化硅片表面成功制备了 Si-APS-GOHOAF 薄膜，还制备了单层 Si-APS 和 Si-HOAF 薄膜、Si-APS-GO 和 Si-APSHOAF 双层薄膜以及 Si-APS-GO-PFPE 三层薄膜。当 HOAF 浓度达到 2%时，薄膜表现出优异的润滑性能。这种优异的性能归功于最内层的 APS 组分作为与硅片的粘合层，中间层 GO 组分作为承载层，最外层 HOAF 组分作为润滑层的协同作用。更重要的是，由于 GO 和 HOAF 之间的强化学键作用，Si-APS-GO-HOAF 薄膜在不同浓度的氯化钠（NaCl）溶液中浸泡一周甚至一个月后仍能保持良好的润滑性。在摩擦过程中，最外层 HOAF 部分吸附在摩擦副表面，逐渐形成一层转移润滑膜。表面分析表明，碳氧化物和硅氧化物碎片的形成导致薄膜润滑失效。这项工作为开发低摩擦耐磨涂层提供了一定的理论基础和设计思路。 3．多种金属基底表面氧化石墨烯（GO）自组装高性能复合薄膜的制备及摩擦学性能研究。本工作中我们在不锈钢（SS）、钛合金（Ti）和铝合金（Al）基底表面组装了一系列的GO 复合三氯氧磷（POCl3）的薄膜，并表现出良好的宏观摩擦学性能。与裸金属基底相比，摩擦系数和磨损体积大大降低。结果显示，在 SS 基底上形成了包含 GO 和金属磷酸盐的摩擦膜，GO 纳米片沿摩擦方向有序排列，从而主导了摩擦学性能并促进了转移膜的形成。随着摩擦过程的进行，摩擦界面上的 GO 纳米片变成无序的非晶碳，并转移至钢球表面，形成由无定形碳和金属磷酸盐组成的转移膜。另外，DFT 计算结果表明了金属磷酸盐是 GO 和 POCl3共同作用的结果。总之，在多种金属基底表面自组装的 GO 基复合薄膜表现出优异的摩擦学性能，为金属基底上减摩抗磨薄膜的设计提供了理论指导。 4．不锈钢表面六方氮化硼（h-BN）复合离子液体薄膜的制备及摩擦学性 能研究。本工作将羟基化后的 h-BN 纳米片（BNOH）与易于成膜的聚乙烯醇（PVA）溶液混合滴涂在羟基化的不锈钢基底表面成膜，并在薄膜表面吸附了一层纳米级的离子液体（ILs），包括三种亲水性离子液体和三种疏水性离子液体，最终制备了六种 PVA/BNOH 复合离子液体薄膜。PVA/BNOH 层在薄膜润滑 中发挥着粘结层和承载层的作用，离子液体层具有优异的润滑性能。三种 PVA/BNOH 复合疏水性离子液体薄膜的摩擦学性能无论是在大气湿度还是高湿度下的摩擦学性能均优于三种 PVA/BNOH 复合亲水性离子液体薄膜。摩擦过程中润滑膜的形成和摩擦化学反应的发生有利地促进了复合薄膜优异摩擦学性能的实现。高湿度下薄膜的摩擦学性能主要和水分子与薄膜上层的离子液体的相互作用有关。吸湿后的 PVA/BNOH 复合亲水性 ILs 薄膜，水分子进入 ILs 网络中，摩擦过程中，由于水分子的引入使得离子液体逐渐从摩擦区域挤出，吸附在钢球表面的摩擦膜变薄，摩擦学性能变差。PVA/BNOH 复合疏水性 ILs 薄膜 吸湿后，水分子主要聚集在疏水 ILs表面，使得离子液体吸附在钢球表面形成的润滑膜的厚度与吸湿前相比变化不大，复合薄膜的摩擦学性能变化不大。但由于离子液体中特殊元素与水分子发生水解反应，会对薄膜的摩擦学性能产生一定的影响。氮化硼复合疏水性离子液体薄膜在高湿度下仍然具有优异的摩擦学性能，这为服役在高湿度下减摩抗磨薄膜的设计制备提供了理论指导，并展现出巨大的应用前景。 |
| Other Abstract | 无 |
| MOST Discipline Catalogue | 工学 |
| Pages | 139 |
| Document Type | 学位论文 |
| Identifier | http://ir.licp.cn/handle/362003/30083 |
| Collection | 中国科学院材料磨损与防护重点实验室/先进润滑与防护材料研究发展中心 |
| Affiliation | 1.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 | 陈海杰. 二维纳米材料基多层复合薄膜的构筑及摩擦学性能研究[D]. 北京. 中国科学院大学,2022. |
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