石墨烯/稀土复合超薄润滑涂层的研制及其摩擦学性能研究

Graphene, consised of a single layer carbon in a two dimensional lattice, has attracted a great deal of attention and exhibits potential applications in many fields since its discovery in 2004. As a novel lubricant material, the exploitation of graphene ultrathin coating with excellent tribological properties has important significance for the development of the key bearing in wind-power system, aeronautics and astronautics, micro- and nanoelectromechanical systems (MEMS/NEMS). At present, the researches on the tribological properties of graphene film suggest that it presents excellent friction reduction and wear resistance properties under a low applied load. Increasing the applied load to a high level, however, the coating shows a short anti-wear life, which seriously restricts its application. For the purpose of prolonging the wear life and further reducing the friction coefficient of graphene coating, we intend to improve its tribological properties by introducing an amount of rare earth elements. Moreover, the optimum contents and preparation conditions, coating formation mechanism and friction mechanism associated with rare earth elements will be thoroughly analyzed and discussed.

自从2004年石墨烯被发现以来，其在众多领域显示出了巨大的应用前景。在润滑领域，开发出具有优异摩擦学性能的石墨烯纳米涂层将具有至关重要的意义，可为我国风电关键轴承、航空航天及微机电系统等高新技术领域的发展提供新材料和技术保障。目前有关石墨烯涂层摩擦学性能的研究表明，其在较低载荷下具有非常好的减摩抗磨性能。然而当增加载荷后，其抗磨损性能明显降低，磨损寿命较短，极大地限制了石墨烯纳米薄膜的应用。针对这一问题，本项目拟采用稀土对石墨烯涂层表面进行改性处理，以期得到在不同载荷下均具有优异摩擦学性能的石墨烯纳米润滑涂层，并且对涂层的最佳制备工艺、成膜机理、稀土元素的种类和含量对石墨烯涂层摩擦性能的影响以及摩擦机理进行系统而深入的分析和探讨。

石墨烯是一种具有单原子层结构的二维材料，其优异的机械、力学性能，如超高的硬度、强度和杨氏模量等，意味着石墨烯在减摩、抗磨等方面具有极大的应用潜力，是一类新型的超薄固体润滑涂层材料。目前关于石墨烯基超薄润滑涂层的研究，存在的普遍问题为承载能力低、抗磨能力差，极大地限制了其实际应用。因此，对石墨烯润滑涂层进一步进行复合改性，使其具有更优异的摩擦学性能，具有非常重要的现实意义。稀土元素在摩擦过程中可发生摩擦化学反应而起到减摩抗磨的作用，且其一般具有较高的承载能力。因此，将适量的稀土元素与石墨烯涂层进行复合，有望进一步提高涂层的摩擦磨损性能。基于此，本项目系统开展了石墨烯/稀土复合超薄润滑涂层的制备及摩擦学性能研究，并对其内在摩擦学机理进行了深入探讨，开发出了一系列具有优异摩擦学性能的新型石墨烯/稀土超薄润滑材料。如通过温和的溶液基过程，在3-氨丙基三乙氧基硅烷-聚多巴胺薄膜修饰的单晶硅片表面构筑了石墨烯/镧基纳米复合涂层，结果表明，镧基纳米颗粒复合后涂层的力学性能得到了显著提高（硬度为17.07 GPa, 残余模量为199.52 GPa），摩擦系数（载荷为0.1-0.5N时，摩擦系数均维持在0.1-0.2）、磨损寿命（> 6000s）等性能均得到明显改善。采用类似方法，在3-氨丙基三乙氧基硅烷修饰的单晶硅片表面构筑了石墨烯/钐基复合涂层，结果表明，钐元素的复合使其承载能力进一步提高至2N以上，摩擦系数稳定在0.1-0.15之间，磨损寿命大于6000s。此外，还利用氧化石墨烯表面的羧基基团与3-氨丙基三乙氧基硅烷的氨基基团之间的共价作用，首先将氧化石墨烯接枝到硅基底上，然后将其置于三氯化铈前驱体溶液中，原位均匀生长一层二氧化铈纳米颗粒，从而制备出氧化石墨烯/二氧化铈超薄润滑涂层。该涂层的厚度约为1nm，二氧化铈纳米颗粒平均粒径约6nm。摩擦学研究表明，氧化石墨烯/二氧化铈涂层在较高的载荷（2 N）下，摩擦系数可以降低到硅基底的1/3左右，抗磨损寿命超过GO涂层的8倍。以上石墨烯/稀土复合超薄润滑涂层的摩擦学性能达到了预期目标，其稀土增强润滑性能的机理也得到了进一步分析和讨论。该高性能石墨烯/稀土复合超薄润滑涂层的开发为我国风电关键轴承、航空航天及微机电系统等高新技术领域的发展提供了新材料和技术保障，对国民经济的发展以及我国润滑事业的进一步提升具有非常深远的意义。