一种超滑石墨烯摩尔结构涂层的制备方法与流程

1.本发明涉及材料技术和摩擦学领域，尤其涉及一种超滑石墨烯摩尔结构涂层的制备方法。


背景技术：

2.随着机械系统的高精密化、高集成化及高可靠性发展，机械系统运动部件的表界面效应越来越突出，对摩擦磨损的要求也越来越苛刻。同时据统计，摩擦造成全世界1/3的一次性能源消耗，60%的零部件损坏是由磨损引起的。由两者导致的直接经济损失占全国gdp的5%~7%左右。按照5%计算，2019年我国仅因摩擦、磨损导致的损失就高达4.95万亿元。因此进一步减小摩擦、降低磨损、延长运动部件的工作寿命成为润滑技术的核心问题之一。
3.石墨烯因其特殊的层状结构和层内极弱范德华力，能有效减少摩擦和磨损吸引了科学界和工程界的关注，并使其在工程领域具有广泛应用潜力。石墨烯减摩潜力，甚至是超滑实现，均建立在非公度接触的基础上，即石墨烯层随着角度扭转，而使得摩尔条纹随着接触区域面积的增加而逐步出现，引起的上层结构的基体粘滑运动，并且随着接触面积的增加，异质结表现层从粘滑运动（高摩擦）到平滑滑动（超滑）的转变。
4.然而，非公度接触状态是不稳定的，易在摩擦过程种自发转向到公度状态，从而锁定到高摩擦配置，即同质结构超滑表现出严重转角依赖性，也称之为摩擦各向异性，并随着摩擦过程接触面积的增加而更加严重，而具有刚性聚晶表面形成多点接触的结构可以阻止公度接触的形成。但目前通过制备稳定摩尔结构的石墨烯材料并实现固体超滑现象仍然是空白。


技术实现要素：

5.本发明所要解决的技术问题是提供一种简单、高效的超滑石墨烯摩尔结构涂层的制备方法。
6.为解决上述问题，本发明所述的一种超滑石墨烯摩尔结构涂层的制备方法，其特征在于：该方法是指将石墨烯粉体与行星式球磨机中的磨珠按照1：50~120的重量比混合，经球磨得到石墨烯摩尔结构薄膜；所述石墨烯摩尔结构薄膜通过片片平行接触，且片层之间旋转角度在15~45
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之间，呈现非公度接触状态以产生摩尔条纹；然后将该石墨烯摩尔结构薄膜与含氢碳薄膜组成摩擦配伍对，于不同环境氛围，在1~20n载荷、0.05~30cm/s速度范围、0.28~3mm2接触面积的条件下石墨烯摩尔结构薄膜内sp3键合碳受摩擦热和剪切应力的作用，发生层间朝面内化学键转向，产生层内无缺陷超滑石墨烯涂层。
7.所述石墨烯粉体的片径在20~500nm之间，片层内石墨烯层数少于15，片表面无明显褶皱且光滑。
8.所述球磨条件是指石墨烯粉体的体积小于球磨罐容积的10%，转速控制在50~600rpm之间，球磨时间为5~100h。
9.所述球磨过程中还加入溶剂。
10.所述溶剂包括但不限于乙醇、水、n,n
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二甲基甲酰胺中的一种。
11.所述磨珠是指表面粗糙度为ra3~5μm、球径为1~20mm的钢球、氧化铝球、氧化锆球、氮化硅球及碳化硅球中的一种。
12.所述不同环境氛围包括氮气、氩气、真空以及不同湿度环境。
13.本发明与现有技术相比具有以下优点：1、本发明选取片径在20
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500nm之间，片内石墨烯层数少于15，表面光滑的石墨烯片状粉体，通过在与磨珠之间随机滚动中，借助于石墨烯片定向排列的能力，将石墨烯片包裹球表面，并产生稳定接触的摩尔条纹，避免了石墨烯材料摩擦各向异性，从而实现了固体超滑。
14.2、本发明简单、绿色、高效，所得涂层具有稳定石墨烯摩尔结构，其摩擦系数可低至0.006。
附图说明
15.下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
16.图1为本发明实施例1在氧化锆球上制备石墨烯摩尔结构涂层在7n，10cm/s及1.1mm2条件下的摩擦系数图。
具体实施方式
17.一种超滑石墨烯摩尔结构涂层的制备方法：将石墨烯粉体与行星式球磨机中的磨珠按照1：50~120的重量比（g/g）混合，石墨烯粉体的体积小于球磨罐容积的10%，在转速控制在50~600rpm之间、球磨时间为5~100h的条件下进行球磨，借助于石墨烯片定向排列的能力，在磨珠与石墨烯粉末之间随机滚动中，在磨珠上制备得到石墨烯摩尔结构薄膜。
18.石墨烯粉体具有清晰片状形貌和表面光滑特征。其片径在20~500nm之间，片层内石墨烯层数少于15，片表面无明显褶皱且光滑。
19.磨珠是指表面粗糙度为ra3~5μm、球径为1~20mm的钢球、氧化铝球、氧化锆球、氮化硅球及碳化硅球中的一种。
20.球磨过程中可加入少量溶剂，使得片层之间产生sp3键合碳，从而使石墨烯摩尔结构稳定存在，为后续超滑实现提供条件。溶剂包括但不限于乙醇、水、n,n
‑
二甲基甲酰胺中的一种。
21.石墨烯摩尔结构薄膜通过片片平行接触，且片层之间旋转角度在15~45
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之间，呈现非公度接触状态以产生摩尔条纹；然后将该石墨烯摩尔结构薄膜与含氢碳薄膜组成摩擦配伍对，于包括氮气、氩气、真空以及不同湿度环境的不同环境氛围，在1~20n载荷、0.05~30cm/s速度范围、0.28~3mm2接触面积的条件下石墨烯摩尔结构薄膜内sp3键合碳受摩擦热和剪切应力的作用，发生层间朝面内化学键转向，产生层内无缺陷超滑石墨烯涂层。
22.石墨烯摩尔结构薄膜朝层内无缺陷石墨烯转变将消除层间滑动阻力，在摩擦方向上导致低剪切强度，可使滑动体系的摩擦系数降低至0.01以下，实现超滑。
23.实施例1一种超滑石墨烯摩尔结构涂层的制备方法：将片径约200nm、层数小于10、表面光滑、片状清晰的石墨烯粉体与行星式球磨机
中的5mm氧化铝磨珠按照1：100的重量比（g/g）混合，石墨烯粉体的体积占球磨罐容积的8%，在转速控制在200rpm、球磨时间为20h的条件下进行球磨，借助于石墨烯片定向排列的能力，在磨珠与石墨烯粉末之间随机滚动中，在磨珠上制备得到石墨烯摩尔结构薄膜。
24.石墨烯摩尔结构薄膜通过片片平行接触，且片层之间旋转角度在30
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，呈现非公度接触状态以产生摩尔条纹；然后将该石墨烯摩尔结构薄膜与含氢碳薄膜组成摩擦配伍对，在7n载荷、10cm/s速度范围、1.1mm2接触面积的条件下石墨烯摩尔结构薄膜内sp3键合碳受摩擦热和剪切应力的作用，发生层间朝面内化学键转向，产生层内无缺陷超滑石墨烯涂层。
25.石墨烯摩尔结构薄膜朝层内无缺陷石墨烯转变将消除层间滑动阻力，在摩擦方向上导致低剪切强度，在氮气气氛下与含氢碳薄膜对摩实现超滑。经测试，所得涂层的摩擦系数为0.006（参见图1）。
26.实施例2一种超滑石墨烯摩尔结构涂层的制备方法：将片径约20nm、层数小于15、表面光滑、片状清晰的石墨烯粉体与行星式球磨机中的10mm氧化铝磨珠按1:50的重量比（g/g）混合，石墨烯粉体的体积占球磨罐容积的6%，在转速控制在100rpm、球磨时间为50h的条件下进行球磨，借助于石墨烯片定向排列的能力，在磨珠与石墨烯粉末之间随机滚动中，在磨珠上制备得到石墨烯摩尔结构薄膜。
27.石墨烯摩尔结构薄膜通过片片平行接触，且片层之间旋转角度在20
o
，呈现非公度接触状态以产生摩尔条纹；然后将该石墨烯摩尔结构薄膜与含氢碳薄膜组成摩擦配伍对，在5n载荷、5cm/s速度范围、2.1mm2接触面积的条件下石墨烯摩尔结构薄膜内sp3键合碳受摩擦热和剪切应力的作用，发生层间朝面内化学键转向，产生层内无缺陷超滑石墨烯涂层。
28.石墨烯摩尔结构薄膜朝层内无缺陷石墨烯转变将消除层间滑动阻力，在摩擦方向上导致低剪切强度，在氩气气氛下与含氢碳薄膜对摩实现超滑，其摩擦系数为0.009。
29.实施例3一种超滑石墨烯摩尔结构涂层的制备方法：将片径约500nm、层数小于10、表面光滑、片状清晰的石墨烯粉体与行星式球磨机中的3mm钢球磨珠按照1:120的重量比（g/g）混合，石墨烯粉体的体积占球磨罐容积的15%，在转速控制在600rpm、球磨时间为100h的条件下进行球磨，借助于石墨烯片定向排列的能力，在磨珠与石墨烯粉末之间随机滚动中，在磨珠上制备得到石墨烯摩尔结构薄膜。
30.石墨烯摩尔结构薄膜通过片片平行接触，且片层之间旋转角度在40
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，呈现非公度接触状态以产生摩尔条纹；然后将该石墨烯摩尔结构薄膜与含氢碳薄膜组成摩擦配伍对，在5n载荷、25cm/s速度范围、0.28mm2接触面积的条件下石墨烯摩尔结构薄膜内sp3键合碳受摩擦热和剪切应力的作用，发生层间朝面内化学键转向，产生层内无缺陷超滑石墨烯涂层。
31.石墨烯摩尔结构薄膜朝层内无缺陷石墨烯转变将消除层间滑动阻力，在摩擦方向上导致低剪切强度，在氮气氛围下与含氢碳薄膜对摩实现超滑，其摩擦系数为0.009。