二维层状材料微结构的激光调控及其摩擦学特性研究

发布时间：2020-04-30 11:14

【摘要】：二维层状材料不仅具有独特的光学、电学、热学性质,还具有良好的力学性能:既可以单独用作润滑剂,也可以作为润滑剂添加剂显著改善其摩擦学性能,还能够展现出超滑等新颖摩擦现象。然而,由于二维材料比表面积大、表面活性高,极易发生团聚,或在摩擦过程中被氧化,极大提高了其作为润滑油添加剂的实际应用难度。因此,设计新颖的二维材料复合结构,寻找适合的制备技术、深入分析其摩擦学机理是目前该领域最迫切的攻关难题。根据微纳米颗粒作为润滑添加剂的润滑机理,本课题采用简单快速的液相激光辐照技术,对二硫化钨(WS_2)、二硫化钼(MoS_2)、石墨烯等典型二维材料的微结构进行了系列调控,并对其作为润滑添加剂的摩擦学性能进行了系统探索。(1)提出了一种实心WS_2亚微米球的一步液相激光辅助生长策略。在室温常压条件下,以WS_2大片为靶材,利用激光辐照固体靶材瞬间所产生的超高温超高压等极端非平衡环境和周围液相介质的快速冷却作用,同时实现了WS_2微米大片的破碎和近封闭实心球形结构的成型,有效地简化了制备流程、降低了制备成本。并对其作为液体石蜡添加剂的摩擦学性能进行研究,结果表明,WS_2亚微球能够在摩擦副表面沉积成膜,并在剪切力作用下起到微轴承作用,从而具有优异的减摩抗磨性能。(2)发展了一种单分散类富勒烯结构二硫化钼纳米球(IF-MoS_2)的激光辐照制备方法。以水热法得到的二维MoS_2纳米片为靶材,利用纳秒脉冲激光直接辐照分散于液相中的MoS_2纳米片,在激光诱导的光热作用和周围液相介质的超快冷却双重作用下,获得了表面光滑、单分散的IF-MoS_2纳米球。这种IF-MoS_2纳米颗粒球形度高,颗粒粒径小,因部分边缘悬键闭合而具有较稳定的富勒烯结构,在摩擦过程中IF-MoS_2纳米球极易进入接触区形成转移膜,并且能够有效抑制摩擦高温所导致的MoS_2氧化失效,因此,具有优异的减摩和极压性能。(3)结合零维(0D)和二维(2D)纳米材料的优点,利用一步脉冲激光辐照技术,构建了一种新型的0D/2D叠层复合结构。以二维氧化石墨烯和MoS_2纳米片的混合水溶液为作用对象,通过激光辐照所产生的光热作用还原氧化石墨烯,同时诱导MoS_2纳米片释放高表面能而熔融重构为纳米球,并附着在相邻石墨烯片层之间,最终形成0D/2D相结合的MoS_2球/石墨烯片叠层复合结构。该复合材料结构比较松散,在润滑油中具有良好的分散稳定性,而且,在四球摩擦磨损实验中展现出显著提高的抗磨和减摩性能。(4)受夜光藻在海洋中良好悬浮稳定性的启发,基于硬度不同材料的协同润滑作用思想,设计了一种以超硬SiC球为核心、柔性石墨烯为壳,且表面被漂浮石墨烯纳米带装饰的核壳结构。借鉴SiC衬底上外延石墨烯气相生长策略,通过激光辐照超硬的SiC颗粒悬浮分散液,在简单、温和的液相脉冲激光辐照下,高比表面积的SiC纳米颗粒表面被光热激活,熔融成球,同时,激光与固体靶材接触界面处的极端非平衡条件导致SiC被刻蚀分解,C原子重组形成石墨烯,进而形成了纳米带修饰的SiC@G亚微米球。该复合材料在液相介质中具有优异的分散性,超硬SiC微球的微抛光和微轴承作用、石墨烯良好的吸附特性和自润滑性能相互协同,使其展现出优异的抗磨减摩性能。(5)采用超快低温激光辐照生长技术,实现了超细SiC@G纳米球的制备,初步获得了超滑性能(摩擦系数小于0.01)。采用同样的SiC颗粒悬浮分散液,利用冰浴限制激光辐照过程中颗粒的生长速度,获得了小于10 nm的超细SiC@G纳米球。将其分散在PAO 4和液体石蜡中,观测到了超滑现象。通过球盘摩擦实验发现:SiC@G纳米球应用于PAO 4和液体石蜡超滑体系后,可以有效减少跑合时间,显著降低摩擦系数,减少磨损,并提高了超滑实现时的接触压力。
【图文】：

示意图,二维,示意图,过渡金属碳化物

图 1.1 不同种类超薄二维纳米材料结构示意图[8]ematic diagram of the microstructures of different ultrathin two-dimensional 状材料具有独特的结构与性质，可以展现出优异的润滑性能，成热点。，英国曼彻斯特大学的 Geim 和 Novoselov 研究团队[7]首次发现将高定向热解石墨中剥离出的石墨片采用胶带不断一分为二，最的薄片，即石墨烯，，推翻了经典的“热力学涨落不允许二维晶体”的理论，震撼了整个物理界，并因此获得 2010 年诺贝尔物理，引起了研究者对一系列二维层状材料[8]（图 1.1），如黑磷[9]、、六方氮化硼[11]、二维过渡金属碳化物[12]、硅烯[13]等的研究热层状材料的结构与性质

烯可以包裹成 0D 的 C60，也可以卷成一维纳米管，也可以叠成e can be wrapped up into 0D C60, rolled into 1D nanotubes or stacke过碳原子紧密堆积以 sp2杂化轨道组成的六角型二维碳是目前最理想的一种二维层状材料。组成石墨烯的基本个单元内有 3 个 σ 键，C-C 键长约为 0.142 nm，C 原子子在垂直方向上形成 π 键，因而石墨烯具有优异的导电，约为 0.35 nm。石墨烯具有非常稳定的结构，当有外结构内的原子并不会重新排列。石墨烯可以包裹成 0D，也可以叠成三维石墨，如图 1.2 所示[14]。石墨烯独特电学、光学、力学和热学性能。石墨烯优异的电学性能 2ｘ105cm2(V·s)-1，约为硅的 140 倍[14]。石墨烯为半金一小部分重叠的，价带顶部的电子在被不激发的条件下在石墨烯中能够表现出半整数的量子霍尔效应、完美的
【学位授予单位】：济南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TB34

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