【摘要】：二維層狀材料不僅具有獨(dú)特的光學(xué)、電學(xué)、熱學(xué)性質(zhì),還具有良好的力學(xué)性能:既可以單獨(dú)用作潤滑劑,也可以作為潤滑劑添加劑顯著改善其摩擦學(xué)性能,還能夠展現(xiàn)出超滑等新穎摩擦現(xiàn)象。然而,由于二維材料比表面積大、表面活性高,極易發(fā)生團(tuán)聚,或在摩擦過程中被氧化,極大提高了其作為潤滑油添加劑的實(shí)際應(yīng)用難度。因此,設(shè)計(jì)新穎的二維材料復(fù)合結(jié)構(gòu),尋找適合的制備技術(shù)、深入分析其摩擦學(xué)機(jī)理是目前該領(lǐng)域最迫切的攻關(guān)難題。根據(jù)微納米顆粒作為潤滑添加劑的潤滑機(jī)理,本課題采用簡單快速的液相激光輻照技術(shù),對二硫化鎢(WS_2)、二硫化鉬(MoS_2)、石墨烯等典型二維材料的微結(jié)構(gòu)進(jìn)行了系列調(diào)控,并對其作為潤滑添加劑的摩擦學(xué)性能進(jìn)行了系統(tǒng)探索。(1)提出了一種實(shí)心WS_2亞微米球的一步液相激光輔助生長策略。在室溫常壓條件下,以WS_2大片為靶材,利用激光輻照固體靶材瞬間所產(chǎn)生的超高溫超高壓等極端非平衡環(huán)境和周圍液相介質(zhì)的快速冷卻作用,同時(shí)實(shí)現(xiàn)了WS_2微米大片的破碎和近封閉實(shí)心球形結(jié)構(gòu)的成型,有效地簡化了制備流程、降低了制備成本。并對其作為液體石蠟添加劑的摩擦學(xué)性能進(jìn)行研究,結(jié)果表明,WS_2亞微球能夠在摩擦副表面沉積成膜,并在剪切力作用下起到微軸承作用,從而具有優(yōu)異的減摩抗磨性能。(2)發(fā)展了一種單分散類富勒烯結(jié)構(gòu)二硫化鉬納米球(IF-MoS_2)的激光輻照制備方法。以水熱法得到的二維MoS_2納米片為靶材,利用納秒脈沖激光直接輻照分散于液相中的MoS_2納米片,在激光誘導(dǎo)的光熱作用和周圍液相介質(zhì)的超快冷卻雙重作用下,獲得了表面光滑、單分散的IF-MoS_2納米球。這種IF-MoS_2納米顆粒球形度高,顆粒粒徑小,因部分邊緣懸鍵閉合而具有較穩(wěn)定的富勒烯結(jié)構(gòu),在摩擦過程中IF-MoS_2納米球極易進(jìn)入接觸區(qū)形成轉(zhuǎn)移膜,并且能夠有效抑制摩擦高溫所導(dǎo)致的MoS_2氧化失效,因此,具有優(yōu)異的減摩和極壓性能。(3)結(jié)合零維(0D)和二維(2D)納米材料的優(yōu)點(diǎn),利用一步脈沖激光輻照技術(shù),構(gòu)建了一種新型的0D/2D疊層復(fù)合結(jié)構(gòu)。以二維氧化石墨烯和MoS_2納米片的混合水溶液為作用對象,通過激光輻照所產(chǎn)生的光熱作用還原氧化石墨烯,同時(shí)誘導(dǎo)MoS_2納米片釋放高表面能而熔融重構(gòu)為納米球,并附著在相鄰石墨烯片層之間,最終形成0D/2D相結(jié)合的MoS_2球/石墨烯片疊層復(fù)合結(jié)構(gòu)。該復(fù)合材料結(jié)構(gòu)比較松散,在潤滑油中具有良好的分散穩(wěn)定性,而且,在四球摩擦磨損實(shí)驗(yàn)中展現(xiàn)出顯著提高的抗磨和減摩性能。(4)受夜光藻在海洋中良好懸浮穩(wěn)定性的啟發(fā),基于硬度不同材料的協(xié)同潤滑作用思想,設(shè)計(jì)了一種以超硬SiC球?yàn)楹诵�、柔性石墨烯為�?且表面被漂浮石墨烯納米帶裝飾的核殼結(jié)構(gòu)。借鑒SiC襯底上外延石墨烯氣相生長策略,通過激光輻照超硬的SiC顆粒懸浮分散液,在簡單、溫和的液相脈沖激光輻照下,高比表面積的SiC納米顆粒表面被光熱激活,熔融成球,同時(shí),激光與固體靶材接觸界面處的極端非平衡條件導(dǎo)致SiC被刻蝕分解,C原子重組形成石墨烯,進(jìn)而形成了納米帶修飾的SiC@G亞微米球。該復(fù)合材料在液相介質(zhì)中具有優(yōu)異的分散性,超硬SiC微球的微拋光和微軸承作用、石墨烯良好的吸附特性和自潤滑性能相互協(xié)同,使其展現(xiàn)出優(yōu)異的抗磨減摩性能。(5)采用超快低溫激光輻照生長技術(shù),實(shí)現(xiàn)了超細(xì)SiC@G納米球的制備,初步獲得了超滑性能(摩擦系數(shù)小于0.01)。采用同樣的SiC顆粒懸浮分散液,利用冰浴限制激光輻照過程中顆粒的生長速度,獲得了小于10 nm的超細(xì)SiC@G納米球。將其分散在PAO 4和液體石蠟中,觀測到了超滑現(xiàn)象。通過球盤摩擦實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn):SiC@G納米球應(yīng)用于PAO 4和液體石蠟超滑體系后,可以有效減少跑合時(shí)間,顯著降低摩擦系數(shù),減少磨損,并提高了超滑實(shí)現(xiàn)時(shí)的接觸壓力。
【圖文】：

圖 1.1 不同種類超薄二維納米材料結(jié)構(gòu)示意圖[8]ematic diagram of the microstructures of different ultrathin two-dimensional 狀材料具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)，可以展現(xiàn)出優(yōu)異的潤滑性能，成熱點(diǎn)。，英國曼徹斯特大學(xué)的 Geim 和 Novoselov 研究團(tuán)隊(duì)[7]首次發(fā)現(xiàn)將高定向熱解石墨中剝離出的石墨片采用膠帶不斷一分為二，最的薄片，即石墨烯，，推翻了經(jīng)典的“熱力學(xué)漲落不允許二維晶體”的理論，震撼了整個(gè)物理界，并因此獲得 2010 年諾貝爾物理，引起了研究者對一系列二維層狀材料[8]（圖 1.1），如黑磷[9]、、六方氮化硼[11]、二維過渡金屬碳化物[12]、硅烯[13]等的研究熱層狀材料的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)

烯可以包裹成 0D 的 C60，也可以卷成一維納米管，也可以疊成e can be wrapped up into 0D C60, rolled into 1D nanotubes or stacke過碳原子緊密堆積以 sp2雜化軌道組成的六角型二維碳是目前最理想的一種二維層狀材料。組成石墨烯的基本個(gè)單元內(nèi)有 3 個(gè) σ 鍵，C-C 鍵長約為 0.142 nm，C 原子子在垂直方向上形成 π 鍵，因而石墨烯具有優(yōu)異的導(dǎo)電，約為 0.35 nm。石墨烯具有非常穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，當(dāng)有外結(jié)構(gòu)內(nèi)的原子并不會重新排列。石墨烯可以包裹成 0D，也可以疊成三維石墨，如圖 1.2 所示[14]。石墨烯獨(dú)特電學(xué)、光學(xué)、力學(xué)和熱學(xué)性能。石墨烯優(yōu)異的電學(xué)性能 2ｘ105cm2(V·s)-1，約為硅的 140 倍[14]。石墨烯為半金一小部分重疊的，價(jià)帶頂部的電子在被不激發(fā)的條件下在石墨烯中能夠表現(xiàn)出半整數(shù)的量子霍爾效應(yīng)、完美的
【學(xué)位授予單位】：濟(jì)南大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TB34

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本文編號：2645704