石墨烯/炭基纳米复合材料制备及其摩擦学研究

现代国防、民用工业的许多领域需要大量低成本、高强、高耐磨的炭基复合材料。本项目针对目前多数增强材料与炭基体存在分散不均匀、相容性差及其制备工艺复杂、周期长、成本高等问题，提出采用热压烧结炭化聚丙烯腈/石墨烯纳米复合前驱体制备低成本、高性能的炭基纳米复合材料的新方法。该方法通过酰化反应在石墨烯表面共价接枝具有可控聚合反应功能的丙烯基基团，经自由基引发使接枝的丙烯基与前驱体聚丙烯腈树脂的单体发生原位聚合，实现石墨烯在炭前驱体树脂中的均匀分散和相容。通过本项目的研究，认识和揭示石墨烯在炭前驱体树脂中的分散状态和相容情况对复合材料在炭化过程中微观结构变化的影响规律，探究复合材料在不同工况下的摩擦磨损行为，建立复合材料组成、微观结构与磨损表面的形貌特征和磨损的物理、化学过程的关系，为我国石墨资源的高值利用、石墨烯在高分子材料中的广泛应用以及高性能、低成本炭基纳米复合材料的制备技术发展和应用奠定基础。

现代国防、民用工业的许多领域需要大量低成本、高强、高耐磨的炭基复合材料。本项目针对目前多数增强材料与炭基体存在分散不均匀、相容性差及其制备工艺复杂、周期长、成本高等问题，提出采用热压烧结炭化聚合物/石墨烯纳米复合前驱体制备低成本、高性能的炭基纳米复合材料的新方法。利用改性Hummers方法制备了氧化石墨烯纳米片，同时考察了氧化石墨烯纳米片作为水基润滑添加剂的摩擦磨损性能，与氧化碳纳米管相比，片状结构的石墨烯更容易在摩擦界面形成转移膜，降低摩擦副的磨损划伤。尽管氧化石墨烯纳米片具有良好的抗磨减摩效果，但是由于氧化石墨烯比表面很大，且表面存在大量活性基团，这些特征导致其在干燥过程中容易团聚，为了抑制团聚情况的发生，本项目利用原位沉积技术在氧化石墨烯表面原位沉积一些半导体氧化物，如氧化铁、四氧化三铁和二氧化钛等，这些氧化物在石墨烯表面的均匀沉积不仅抑制了石墨烯表面的二次团聚，而且拓展了石墨烯基复合材料的功能，本项目考查了石墨烯/氧化铁纳米棒作为润滑添加剂的摩擦特性，在摩擦过程中，复合材料中的氧化石墨烯由于其片状结构优先在摩擦界面成膜，而氧化石墨烯表面的氧化铁纳米棒在摩擦界面上可以起到微观轴承的作用，使摩擦方式由滑动变为滚动，降低摩擦对偶的摩擦磨损，此外，由于石墨烯/氧化铁纳米棒复合材料还具有光催化效果，其必将导致废弃的润滑油通过太阳光降解，不会对环境造成污染。为了获得性能优异石墨烯/炭基纳米复合材料，必须解决石墨烯在聚合物前期体中的分散和相容，我们利用磺化的聚醚醚酮改性氧化石墨烯，使氧化石墨烯通过表面的羧基和羟基与磺化聚醚醚酮的磺酸基形成氢键，由于在石墨烯表面含有聚醚醚酮大分子链，其能均匀的分散到聚醚醚酮基体中，所制备的薄膜材料表面光滑，柔韧性非常好，与碳纳米管增强的复合材料相比，氧化石墨烯增强的薄膜材料具有更高的力学和摩擦学性能。最后，我们以氧化石墨烯为填料，采用冷压成型法制备了氧化石墨烯改性聚酰亚胺( PI) 纳米复合材料，经进一步预氧化和炭化得到纳米炭材料。结果表明，加入石墨烯后，PI的分子取向变大，结晶度下降。对氧化、环化和脱氢反应可产生一定的抑制作用，导致预氧化反应程度下降。同时，石墨烯可作为炭化阶段微晶生长的晶核，有利于碳网平面的快速生长。添加石墨烯之后导致炭纳米复合材料的摩擦系数降低，抗磨性能提高。