新型碳基纳米复合材料的设计、制备及其摩擦学性能研究

With the rapid development of science and technology and machinery manufacturing, exploiting the lubricating oil additive with good wear resistance, high bearing capacity, and self-reparing is a promising topic in the field of tribology materials. Based on molecular composition and structural characteristics of fullerene, carbon nanotube, and graphene oxide, we re-designed the composition and structure of carbon-base nanocomposites in the mesoscopic level, and regulated the size and diffusion of nanoparticles in the composite through the combination with the non-convalent reformation and in situ composite technology. Consequently, we fullfilled the anti-wear property and stability of carbon-based nanomaterials, meanwhile, we also realized the controllable preparation of self-healing, long-life new functional carbon-based nanocomposites. Through the research regarding the design of carbon nanomaterials strucure, fabrication, friction and wear machenism, the project came across our own novel fabrication method of fabricating new carbon-based nanocomposite with expositing the oil causative behavior mechanisms, then our study revealed the relationships between the composition and properties of the carbon-based nanocomposites, established the tribological machemism of carbon-based nanocomposites. Our research contributes for the basic theory study and technology support not only for the high-tech industries and advanced manufacturing, but also for the field of environment and energy.

随着科学技术的飞速发展及机械制造水平的日益提高，发展具有良好抗磨损性能、高承载能力和对磨损表面具有一定磨损修复功能的润滑油添加剂是材料摩擦学领域的重要研究方向。本项目根据富勒烯、碳纳米管和氧化石墨烯的分子组成和结构特点，结合非共价改性和原位复合技术，在微介观层面上合理设计碳基纳米复合材料的结构与组成，调控复合材料中纳米粒子的尺度与分布，提高碳基纳米复合材料在润滑油介质中的分散性和稳定性，赋予碳基纳米复合材料抗磨与超润滑的特性，实现自修复、长寿命的新型功能碳基纳米复合材料的可控制备。通过对碳基纳米复合材料的结构设计、合成制备以及其在基础油中的使役行为和摩擦磨损机制等方面的研究，提供新型碳基纳米复合材料的设计制备方法及性能调控技术，揭示碳基纳米复合材料组成结构与性能的关系规律，建立其摩擦磨损作用机制，为我国高技术工业、先进制造、能源等领域的发展提供碳基纳米润滑材料的科学基础理论和技术支撑。

与其它纳米材料相比，碳纳米管和石墨烯具有优异的抗磨、减摩、耐氧化、抗腐蚀和高承载等优点，但是它几乎在任何有机溶剂或水中都无法溶解，很容易发生聚集沉淀，不利于在润滑油介质中的分散和稳定，因此对碳纳米材料进行功能化修饰和改性，提高其分散和稳定性能是它走向工业化应用的重要前提条件之一。鉴于氧化石墨烯平面和边缘上的几种含氧官能团的存在使它能和很多有机和无机材料通过非共价键、共价键和/或离子键方式相互作用，本项目通过共价键功能化将有机聚合物引入到氧化石墨烯表面，同时利用氧化石墨烯疏水的芳香苯环区域，使其通过π-π非共价相互作用修饰碳纳米管，解决它们在基础油中的油溶性和分散稳定性。此外，与碳纳米管非共价结合的氧化石墨烯表面的含氧活性基团有利于金属在其表面成核生长，利用这个特性在氧化石墨烯表面原位复合功能性的铜纳米，成功制备具有高性能的三元杂化结构碳基纳米复合材料。该设计不仅解决了碳纳米管在润滑介质中分散性和稳定性，而且对氧化石墨烯起到空间阻隔的作用，降低了片层之间的团聚，保留其的大比表面积的优点，同时拓宽了碳纳米材料的功能。