[发明专利]一种石墨烯/氧化锆纳米复合润滑材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于无机纳米复合材料领域，涉及一种石墨烯/氧化锆纳米复合润滑材料的制备方法。

背景技术

2004年，英国曼彻斯特大学的AndreGeim教授和KostyaNovoselov博士领导的科研小组首次利用一种简单的微机械剥离法获得了单原子层厚度的石墨烯，由此领导了这个领域的一场革命。石墨烯优异的性能及广泛的应用前景引起了科研工作者们空前的研究热情。

石墨烯是厚度只有一个碳原子的二维纳米材料，是由sp²杂化碳原子排列为蜂窝状的六角平面晶体，具有高的比表面积、强度、硬度、杨氏模量以及强的化学惰性和结构稳定性，其独特的二维纳米结构、优异的力学、物理和化学性能使其在发展高性能复合材料和功能材料方面具有巨大的应用潜能。近几年，石墨烯作为新型高效的润滑材料在摩擦学领域具有更为广阔的应用前景。众多研究者通过摩擦学试验从微观及宏观尺度验证了石墨烯良好的润滑行为（KandanurSS,RafieeMA,YavariF,etal.Carbon2012;50:3178-83;EswaraiahV,SankaranarayananV,RamaprabhuS.ACSApplMaterInterfaces,2011;3:4221-7;FengX,KwonS,ParkJY,etal.ACSNano2013;7:1718-24;HunleyDP,FlynnTJ,DodsonT,etal.PhysRevB2013;87:035417-21）。此外，Kim等人（LinLY,KimDE,KimWK,etal.SurfCoatTechnol2011;205:4864-9）利用摩擦力显微镜（FFM）对多层石墨烯在硅基底上的微观摩擦学性能进行了研究，发现石墨烯虽然可以显著地降低摩擦力，但当载荷增大到5μN时，针尖在摩擦100周之后出现了明显的磨损失效。另外，Berman等人（BermanD,ErdemirA.SumantAV.Carbon2013;59:167-75）将石墨烯分散到乙醇中研究了其宏观摩擦学性能，结果表明石墨烯的添加可大幅度地降低乙醇的摩擦系数，但是当载荷增大到5N时立即失效。由此可见，具有特殊尺寸、低的剪切力和表面能的石墨烯能够很好地起到减摩抗磨作用，即可以显著地降低摩擦系数和具有较高的抗磨损能力。但是，由于石墨烯超薄的厚度，宏观样品中存在不可避免的缺陷及晶粒边界，在较大载荷下其抗磨损性能有待提高。此外，石墨烯片层间较强的分子间作用力使其容易产生团聚而难溶于水及常用的有机溶剂，从而作为润滑油添加剂时存在分散稳定性差的问题，如张伟等人（张伟，朱宏伟，狄泽超等．纳米科技2011;8:5-9）对比研究了纯150SN润滑油及添加了石墨烯后的摩擦学性能，发现纯的150SN油在实验条件下不能完成摩擦磨损试验，而添加质量分数为0.001%石墨烯的润滑油，其摩擦系数较为稳定，但添加量增加至0.005%时润滑油摩擦系数变得不稳定。由此可见，上述这些问题严重影响了石墨烯的广泛应用。

氧化锆是一种重要的结构和功能性材料，具有导热率小、硬度和化学稳定性以及热稳定性高等特点，被大量应用于陶瓷、耐火材料、机械、光电、电子、航空航天、生物和化学等多种领域。基于氧化锆的上述优异性质，研究者对氧化锆及其复合材料的摩擦学性能进行了大量研究。例如，Battez等人将纳米氧化锆作为润滑油添加剂加入到PAO-6中，通过摩擦试验证明了氧化锆纳米粒子悬浮液具有良好的摩擦学性能（BattezAH,GonzalezR,ViescaJL,etal.Wear,2008;265:422-8）。郑少华等人利用原位改性方法制备了氧化锆/二氧化硅纳米复合材料，这种表面改性的纳米复合材料在润滑油中具有很好的扩散稳定性，从而显著的提高了润滑油的摩擦学性能（LiW,ZhengSH,CaoBQ,etal.JNanopartRes,2011;13:2129-37）。