石墨烯二氧化钛陶瓷薄膜的制备及其摩擦学性能研究.pdf

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1、学校代码：10255学号：2140696东华大学石墨烯/二氧化钛陶瓷薄膜的制备及其摩擦学性能研究PREPARATIONANDTRIBOLOGICALPROPERTIESOFGRAPHENE/TIO2CERAMICFILMS作者姓名：方燕洁专业名称：材料加工工程（金属材料）指导老师：白涛答辩日期：2017年2月22日东华大学方燕洁硕士学位论文答辩委员会成员名单姓名职称职务工作单位备注程先华教授答辩委员会主席上海交通大学狄平教授答辩委员会委员东华大学孔永华副教授答辩委员会委员东华大学范金辉副教授答辩委员会委员东华大学丁浩副教授答辩委员会委员东华大学白云峰高级工程师答辩委员会秘书东华大学

2、东华大学学位论文原创性声明本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已明确注明和引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品及成果的内容。论文为本人亲自撰写，我对所写的内容负责，并完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：日期：年月日东华大学学位论文版权使用授权书学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅或借阅。本人授权东华大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可

3、以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密□，在年解密后适用本版权书。本学位论文属于不保密□。学位论文作者签名：指导教师签名：日期：年月日日期：年月东华大学硕士论文摘要石墨烯/二氧化钛陶瓷薄膜的制备及其摩擦学性能研究摘要微机电系统（MEMS）体积小、质量轻、能耗低、集成度和智能化程度高，使其在生物医学、汽车电子、航空航天、信息通讯、自动控制、军事和工农业等方面具有广阔的应用前景。由于MEMS的摩擦副间隙尺寸常处于微纳米级别，其比表面积极大，导致与表面相关的摩擦力、粘性阻力和表面张力对微机电系统运行的影响尤为明显。为此，研究具有良好自润滑性能的薄膜对MEMS的发展具有

4、重要作用。因此，有必要在MEMS硅基表面涂覆具有良好机械性能或化学活性/惰性的薄膜，如类金刚石碳膜涂层（DLC）、SiC、石墨烯/TiO2以及复合涂层等，以有效改善其物理和化学性质，提高其稳定性和寿命。石墨烯/TiO2陶瓷薄膜作为固体润滑保护膜具有良好的减摩、耐磨的作用。纳米薄膜的制备方法主要有溶胶-凝胶法、自组装法和分子束外延法等。通过研究发现，在MEMS的表面使用溶胶-凝胶法制备出单层或多层薄膜，可以在不降低其承载能力的情况下，显著降低其表面的摩擦系数，有望成为解决MEMS润滑问题的有效手段。基于以上背景和研究思路，本论文探讨了石墨烯/TiO2陶瓷薄膜的制备工艺，研究了陶瓷薄膜

5、的摩擦学性能，主要内容和研究结果如下：（1）为了分析石墨烯/TiO2陶瓷薄膜的表面性能，保证石墨烯的分散性，采用了溶胶-凝胶法制备石墨烯/TiO2陶瓷薄膜，获得了陶瓷薄膜的最佳配比，制备了具有良好性能的陶瓷薄膜。同时考察了加入不同石墨烯含量对陶瓷薄膜的影响，并对陶瓷薄膜成分和微观结构进行分析。（2）分别使用原子力显微镜（AFM）、场发射扫描电镜（FESEM）、X射线衍射仪（XRD）、紫外可见漫反射光谱仪（UV-vis）和激光显微拉曼光谱仪（Raman）研究了石墨烯/TiO2陶瓷薄膜的成分和微观结构。研究结果表明：陶瓷薄膜中含有石墨烯，石墨烯既分布在陶瓷薄I东华大学硕士论文摘要膜表面

6、，也存在于陶瓷薄膜内部，并起到降低TiO2晶粒尺寸的作用。石墨烯对陶瓷薄膜的裂纹起到桥接作用，提高了薄膜的完整性，降低表面粗糙度。通过对薄膜成分的分析，可知石墨烯在陶瓷薄膜制备过程中没有发生氧化反应。（3）运用高速往复式摩擦磨损试验仪考察了具有不同石墨烯含量和层数的石墨烯/TiO2陶瓷薄膜在不同的载荷、摩擦速度、温度等条件下的摩擦学性能。研究结果表明：陶瓷薄膜的摩擦系数会随着石墨烯含量的增加而减小；配制时，加入溶胶中的石墨烯溶液超过30mL后，所制备的陶瓷膜摩擦学性能保持稳定；陶瓷薄膜膜层增加到2层时，其摩擦系数最低；陶瓷薄膜的耐磨性随着膜层的增加而提高；陶瓷薄膜的摩擦系数随着载荷

7、和摩擦速度的增加而减小；温度的改变对陶瓷薄膜表面性能也有影响，其摩擦系数随温度升高而呈现上升趋势。（4）在载荷为40g、摩擦速度为300r/min和室温条件下考察了单层石墨烯/TiO2陶瓷薄膜的耐磨性。研究发现，单层陶瓷薄膜经36000次往复摩擦后未被磨破，表面依然保持良好的润滑效果，表明其具有良好的耐磨性。关键词：石墨烯；TiO2；溶胶-凝胶法；陶瓷薄膜；摩擦学性能II东华大学硕士论文ABSTRACTPREPARATIONANDTRIBOLOGICALPROPERT