石墨烯负载纳米金属颗粒的超临界化学沉积制备及其摩擦行为协同润滑机理研究

Due to the potential applications of graphene doped with nanometal particles as lubricating oil additive and the advantages of supercritical fluid-assisted deposition for synthesizing nanoparticle-filled nanocomposites, the project focus on the preparation of new lubricating oil additives that is based on graphene doped with nanometal particles by supercritical CO2 assisted-deposition. Adsorption, nucleation, growth and formation mechanism of the nanometal particles on the surface of graphene will be investigated. The microstructure and morphology of the graphene/nanoparticles will be optimized by adjusting the condition of supercritical CO2 assisted-deposition and the components of the reactants to improve the dispersion level and tribological properties of the as-prepared nanocomposites in lubricating oil. The friction and wear behaviors and the corresponding wear mechanisms of the graphene/nanoparticle as lubricating oil additive will be evaluated under different conditions. The action mechanism and the synergistic lubricating mechanism of the graphene and the incorporated nanoparticles will be elaborated. Finally, the correlation between the preparation condition, microstructure, friction and wear mechanism, and the synergistic lubricating mechanism of the graphene doped with nanometal particles will be established in this project. The project has an important theoretical significance to elaborate the physical and chemical friction theory and the synergistic lubricating mechanism of the nanocomposites used as the oil additive during sliding process. Moreover, this project can provide a new technique and the corresponding theory to produce a new nano-lubricating oil additive.

基于石墨烯负载金属纳米颗粒作为润滑添加剂的潜在应用价值及超临界沉积技术在制备负载金属纳米颗粒的优势，本项目拟采用超临界二氧化碳（sc-CO2）化学沉积制备负载金属纳米颗粒石墨烯基新型纳米润滑添加剂。研究不同超临界沉积条件下金属纳米粒子在石墨烯表面的吸附、成核和生长机制，通过控制超临界化学沉积条件及反应物配比控制制备的石墨烯负载金属纳米颗粒的微观形态结构，改善其在润滑油中的分散性及摩擦学性能。研究石墨烯负载金属纳米颗粒作为润滑添加剂在各种条件下的摩擦磨损性能和机理，阐明石墨烯与金属纳米颗粒在摩擦过程中的作用机制和协同润滑机理，在此基础上，揭示石墨烯负载金属纳米颗粒的超临界沉积条件-微观形态结构特征-摩擦磨损和协同润滑机理的内在联系。本项目的实施对纳米润滑添加剂的摩擦物理化学理论及纳米复合材料的协同润滑机理研究具有重要的理论意义，为制备新型纳米润滑添加剂材料提供了新方法和理论依据。

本项目基于石墨烯、碳纳米管和金属纳米颗粒的特殊性能及在机械润滑领域应用的前景，开展了基于减摩抗磨应用的石墨烯及碳纳米管负载金属纳米颗粒复合材料的超临界二氧化碳（CO2）辅助化学沉积制备及其作润滑添加剂的摩擦学性能研究，重点研究超临界CO2沉积条件对该类复合材料的组分、相结构及微观形貌的影响，复合材料微观形貌结构与其摩擦学性能、减摩抗磨机理的内在联系，以及摩擦界面演变机制及复合材料协同润滑机理。取得了一些重要的研究成果：1）采用超临界CO2辅助化学还原法在石墨烯和碳纳米管表面原位沉积金属及金属氧化物纳米颗粒，合成了多种碳基纳米复合材料（石墨烯负载纳米铜、镍、银、金、氧化铜及碳管负载纳米镍、银等），揭示了超临界CO2在各种碳基纳米复合材料合成过程中对材料的组分结构（石墨烯剥离情况、纳米颗粒晶粒尺寸、负载量、微观结构和形貌）的影响机制，实现了各种纳米颗粒在石墨烯纳米片层间及碳管外壁面上的均匀分布及分散。2）合成的纳米复合材料作为润滑添加剂添加到各种基础润滑油中，显著提高了润滑油的减摩抗磨性能，阐述了复合材料微观形态结构及各种摩擦过程条件（施加载荷、摩擦速度、添加浓度等）对减摩抗磨性能的影响及影响机制，发现了该类复合材料的协同减摩抗磨作用，且此作用与材料微观形貌结构紧密相关，揭示了该类碳基纳米复合材料的“超临界CO2合成工艺-微观形貌结构-摩擦学性能间的构效关系”。3）对摩擦副磨损界面进行系统分析，研究了摩擦副界面形貌及成分的演变过程和机制，发现了碳基纳米复合材料在摩擦过程中的自发界面沉积行为以及因此所形成的摩擦物化复合转移膜，阐明了碳基纳米复合材料对润滑状态转变的积极作用，提出了碳基纳米复合材料作润滑添加剂的协同减摩抗磨机理。通过本项目研究，在国际重要期刊包括ACS applied materials & interfaces , Chemical Engineering Journal, Scientific Reports, Tribology International, Tribology Letters等发表SCI收录论文8篇，授权国家发明专利2件，申请国家发明专利3件。