石墨烯的表面改性以其摩擦学中的应用

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1、期末报告学院：材料工程学院专业：材料工程学号：姓名：任课教师：赵元聪日期：20160107石墨烯的表面改性以其摩擦学中的应用摘要介绍石墨烯特点的基础上，综述了石墨烯表面改性的研究情况，包括有机小分子及聚合物改性无机改性以及元素掺杂等，同时总结了石墨烯在摩擦领域中的应用，如作为润滑油添加剂，制备纳米复合材料，制备润滑膜等，并展望了其在该领域中未来的研究方向。1.介绍石墨烯是碳原子以SP2杂化的单层堆积而成的蜂巢状二维原子晶体，其化学形态与碳纳米管外表面相似，表面结构较碳纳米管更为开放，且杨氏模量和本征强度也可与碳纳米管相媲美，从而表现出与碳纳米管相似的应用特性，如良

2、好的韧性和润滑性，可用于耐磨减损材料及润滑剂的制备等。近年来，石墨烯优异的摩擦性能已引起了人们越来越多的关注，其片层滑动，摩擦磨损机理及在摩擦领域的应用已有诸多研究和报道。然而，结构完整的石墨烯化学稳定性高，与其他介质相互作用较弱，且层间存在很大的范德华引力，难以在许多常见溶剂中分散形成稳定的溶液，给石墨烯的进一步研究和应用造成了极大的困难。本文重点介绍石墨烯的表面改性研究进展及其在摩擦领域中的相关应用。2.制备方法简介2004年Geim等[1]首次用微机械剥离法成功获得单层的石墨烯以来其特有的电学、热学、力学等性质引起了科学家的广泛关注。随着研究的深入展开,石墨

3、烯的制备方法也越来越多样化，目前主要的方法有微机械剥离法、氧化还原法、溶剂剥离法、化学气相沉积法和外延生长法等[2]。由于石墨烯超薄的厚度及优异的摩擦性能，使其在纳米尺寸数据存储设备、纳米复合材料和纳米机电系统中具有很大的潜在应用价值。这就使得石墨烯与其它材料接触时表面的相互作用研究，如摩擦力、粘附力和磨损等,显得尤为重要。3.石墨烯的表面改性石墨烯的化学性质十分稳定，但外侧富含缺陷和悬键，且其边缘和基面还存在着不少未被还原的含氧官能团，因此具有与其他物质发生反应的能力，通过化学反应，可对石墨烯进行表面改性，使其带有不同的官能团，提高其在溶剂中的分散性及与聚合物的

4、复合性。3.1有机物改性石墨烯有机改性石墨烯的方法可分为共价键改性和非共价键改性，共价键改性通常先通过化学氧化的方法使石墨烯表面带有羟基、羧基及环氧基团等高反应活性的含氧基团，再通过与含氧基团的共价反应在石墨烯表面引入有机官能团。而非共价键改性主要是基于分子间相互作用力或离子键作用力，使有机分子或离子覆盖在石墨烯的表面，在不破坏石墨烯结构的前提下降低石墨烯片层之间的相互作用力，以提高其分散性。通过有机小分子对石墨烯进行改性，可以使石墨烯带有不同的小分子官能团，从而提高其在溶剂中的分散性和稳定性将羧酸转化为其钠盐，然后通过共价键结合将正丁基引入到氧化石墨烯表面，最后

5、对产物进行还原（图1），制得亲油的改性石墨烯。该方法可在低温下大量生产，且产物可在有机溶剂中形成胶态悬浮体，在纳米复合材料和薄膜的制备中具有很广泛的应用。图1.羧酸改性石墨烯的制备过程3.2无机物改性石墨烯石墨烯是一种理想的纳米粒子负载载体，石墨烯通过静电力作用、π—π键作用等可与不同的无机纳米粒子进行复合，制备出石墨烯纳米杂化体。Luo等[3]将带负电的超薄氧化石墨烯与带正电的氨基化SiO2通过静电力结合，生成了一种核壳结构的亚微米粒子（图2）金属纳米粒子可以通过原位还原法沉积在石墨烯表面，形成石墨烯金属纳米粒子杂化组装结构，这种结构的石墨烯不仅在溶剂中具有很好

6、的分散性，而且具备良好的光学、磁学、催化等性能。图2.二氧化硅改性石墨烯的反应过程利用金属粒子对石墨烯进行表面改性,不仅可以有效提高石墨烯的分散性，而且可以通过优化实验参数来控制无机粒子的粒径和形貌，为石墨烯复合材料的可控化奠定了基础。3.3元素掺杂改性石墨烯石墨烯可看作无数苯环聚合而成的多环芳香化合物，因而具有芳香化合物的一些反应特征，可进行氢化、氟化、氮化等表面功能化处理。除了氢原子可通过化学吸附或物理吸附的方式添加到石墨烯单层碳原子结构上，使石墨烯的导电性发生改变外，更重要的是一些氟原子、氮原子等也可以不同的方式结合在石墨烯上，使其摩擦性、耐热性等发生改变。

7、氟元素掺杂是碳纳米材料功能化处理的重要方法之一，通过对石墨烯的氟化，能够改善碳纳米材料的力学性能、物理性能及光性能，降低其摩擦系数。元素掺杂可有效调控石墨烯的结构，且改性石墨烯表现出与石墨烯迥异的性质，具有广阔的应用前景[5]。目前主要通过计算机模拟及计算，对石墨烯表面元素掺杂的边沿效应及性能改善进行研究。4石墨烯在摩擦领域中的应用因具有密集的层状结构，石墨烯具备耐磨材料添加剂所需要的特性!如良好的热稳定性、低的切变强度、低的表面粘着力等此外，石墨烯超薄的片层结构使其极易进入接触面，减少两粗糙表面的直接接触，因此，石墨烯可作为添加剂加入润滑油及树脂基体中，提高其摩

8、擦性能。4