离子液体功能化石墨烯片超低摩擦设计及机理研究

The global energy crisis and the development of high technology equipment make people to find new technology of friction-reducing and energy saving. This proposal is motivated by the theory of ultralow friction phenomenon in rock mass. This work designs the ionic liquid-functionalized graphene sheets with ultralow friction from a new angle. The purpose is trying to present a new designing method for ultralow friction. The research content includes: The liquid-functionalized graphene sheets suitable for ultralow friction design were prepared. The fabrication of "transfer layer" which come from graphene sheets and the properties of graphene sheets with ultralow friction were studied. Moreover, the structure changes of "transfer layer" and the quantitative relation between the external loading and the micrometre size of graphene sheets were analyzed systematically. And then a friction mechanism based on graphene sheets achieving the ultralow friction by adjusting the arrangement of atoms to redistribution of the external loading was explored. It will provide not only the foundation theory for minishing friction and controlling friction, but also the theory support for the design of modern micro/nano machinery and low energy consumption, long life machinery.

全球的能源短缺和高技术装备的发展都迫使人们去寻求新的减摩节能技术。本项目借鉴岩体超低摩擦效应原理对离子液体功能化石墨烯片进行超低摩擦设计，旨在探索一种新的超低摩擦设计方法。研究内容包括：适合超低摩擦设计的离子液体功能化石墨烯片制备；石墨烯片"转移膜"的构筑与超低摩擦性能研究；在此基础上考察 "转移膜"中石墨烯片在外界载荷作用下的结构变化以及外界载荷与石墨烯片微尺寸（片大小、厚度）之间的定量关系，进而揭示石墨烯片通过调整原子排列形式重分布外界载荷来达到超低摩擦的润滑机制。研究成果将为减小和控制摩擦提供理论基础，并为现代微纳机械和低能耗、长寿命机械设计提供理论支撑。

减摩节能是工程领域的共性问题。本项目旨在探索一种新的超低摩擦设计方法，由于石墨烯材料具有特殊结构，使其表现出优异的摩擦学特性。因此，本项目针对石墨烯的低摩擦设计开展了以下几方面的工作：.（1）、采用在离子液体中电化学直接剥落高纯石墨的方法制备了离子液体功能化石墨烯片，设计合成了[Phen][HSO4]质子型离子液体。研究发现：该离子液体含有[HSO4]-插层离子，能够高效电解剥落制备石墨烯片，而离子液体中[Phen]+阳离子在阴极还原形成自由基，能够与石墨烯片中的π电子结合，形成离子液体功能化石墨烯片。质子型离子液体电解剥落能获得层数3~5层的石墨烯片，剥落的石墨烯片能够稳定分散在乙醇和水的混合溶液中，分散浓度约为2mg/ml，分散溶液6个月仍不会沉降。.（2）、针对石墨烯片“转移膜”的构筑，提出了石墨烯片/质子型离子液体复合纳米润滑薄膜，离子液体前躯体热解方法制备非晶碳包裹的石墨烯片复合薄膜以及DLC薄膜表面涂覆有石墨烯片等多种方案。研究结果表明：复合纳米润滑薄膜摩擦系数能低至0.03左右，但在摩擦过程中，石墨烯片容易在对偶球表面产生聚集，导致后期摩擦系数升高。离子液体前躯体热解方法能够简单快速制备石墨烯复合薄膜，该薄膜摩擦系数可低至0.1左右。DLC薄膜表面涂覆有石墨烯片是目前较为理想的低摩擦设计方案。该薄膜摩擦系数可低至0.02-0.04，且在干燥气氛条件下，发现表面涂覆有石墨烯片的DLC薄膜在摩擦过程中能产生卷筒状磨屑，卷筒状磨屑的生成，大大降低了DLC膜的磨损率。这可能是由于卷筒状磨屑的生成后，发生了滚动摩擦。.（3）、实验分析“转移膜”中石墨烯片在外界载荷作用下的结构变化发现：在非晶态碳基材存在条件下要表征碳原子结构变化有较大的困难。但从分析上述卷筒状磨屑产生过程认为，在载荷作用下，石墨烯首先发生卷曲，随后DLC薄膜产生的磨屑也融合到这种卷曲中，最终形成了卷筒状磨屑。而促使石墨烯发生卷曲的机制主要是“软模式”机制在起主导作用。即石墨烯的结构受到较大的外力时，晶体内的分子会使原子的排列形式发生改变来重分布外界力量。因此，“软模式”机制可为进一步设计及开发超低摩擦材料提供良好的理论依据。