新型石墨烯基二维异质结材料的结构设计及润滑性能研究

Due to the intrinsic structural incommensuration between crystal planes, theoretical studies predict that the superlubricity will emerge in the two-dimensional (2D) heterojunction materials formed by the stacking of two kinds of 2D nanomaterials with different lattice constants. Therefore, 2D heterojunction materials provide possibility for the development of new solid lubrication materials which can meet the future performance requirements and now its lubrication properties is urgent to be characterized and verified by test. This project will design and prepare different 2D heterojunction materials by combining MoS2 or h-BN nanosheets with the basic materials of graphene and fluorinated graphene, and subsequently test their lubrication performance. The structure evolution and multilevel interface interaction of 2D heterojunction materials during the rubbing process will be analyzed to reveal the lubrication, wear and failure mechanism as well as the relationship among film composition, microstructure and tribological properties. Based on the above mechanism, it paves a new way toward the realization of superlubricity in the novel 2D heterojunction materials through structural control and optimization at the molecular level and development of new solid lubrication material systems.

由于具有天然的晶面非公度接触，根据理论计算预测可知，由两种晶格常数不同的二维纳米片材料堆叠所形成的二维异质结结构可实现超低摩擦。因此，二维异质结材料的出现为开发满足未来高性能要求的固体润滑材料体系提供了新的可能，目前亟需开展相关的实验验证与评价工作。本项目通过选择石墨烯和氟化石墨烯作为基础材料，结合纳米二硫化钼和纳米六方氮化硼，设计并制备出具有不同堆叠结构的新型石墨烯基二维异质结材料，考察其在不同环境和工况条件下的摩擦学性能。通过分析石墨烯基二维异质结材料在摩擦前后的结构演化和多层次界面的相互作用，明确其润滑机理和磨损失效机制，并进一步总结关于此种新材料化学组成-微观结构-摩擦学性能的关系规律。在此基础上，通过在分子水平上对二维异质结材料进行组成、结构调控与优化，有望开发出具有超低摩擦的二维异质结固体润滑新材料体系。

石墨烯在特定环境和工况下的优异摩擦学性能已得到摩擦学界的广泛认可。氟化石墨烯作为石墨烯的含氟衍生物具有额外的化学稳定性和润滑性，使其可在苛刻条件下作为固体润滑材料使用。以上两种材料与其他纳米材料的异质复合可实现界面间的非公度接触，有望获得更优的减摩耐磨性能。一方面，本项目以石墨烯和氟化石墨烯的可控制备和表面修饰作为研究基础。通过裁切法和水热合成法两种策略制备了不同尺寸和维度的石墨烯材料（纳米带、量子点），对比研究了石墨烯的尺寸效应对其摩擦学性能的影响。通过对氟化石墨烯和聚四氟乙烯中碳-氟键（C-F）与碳-碳键（C-C）的强度差异进行研究，揭示了微观分子结构与摩擦性能的关系；为了克服氟化石墨烯因极高惰性而不易加工复合的难题，创新性地采用微波加热的方式促进羟基对氟的亲核取代过程，获得了表面电位低于-30mV的羟基修饰氟化石墨烯。这是迄今为止有报道的氟含量最高（C/F=35）的水分散性氟化石墨烯。另一方面，基于以上材料构筑异质界面研究摩擦性能。结合超声分散和溶剂热反应，将氟化石墨烯与稀土氧化物氧化铈进行一步法复合。氧化铈通过非共价作用附着于氟化石墨烯表面形成异质界面。摩擦测试结果表明氧化铈能促进复合材料在摩擦副表面的牢固吸附，形成高度氟富集的区域，促使磨损体积减少40%。此外，利用类石墨烯过渡金属碳化物MXene与聚四氟乙烯静电自组装，获得了边缘悬键得到钝化的复合材料。将以上材料作为填料加入到环氧树脂中制备了润滑涂层。在干燥、潮湿和真空环境下均证明MXene复合材料可以起到传导应力，抑制疲劳变形和断裂的作用。将氟化石墨烯与二硫化钼量子点复合形成异质润滑材料的工作也说明异质材料呈现不同于单一材料的环境适应性。总之，通过对石墨烯基二维异质材料组成、结构调控与优化，在开拓和丰富异质润滑材料方面做出一些有益的探索，加深了对异质界面润滑机理及规律的理解与认识。