新型氟化石墨烯基润滑材料的研制及其摩擦学行为

A new derivative of graphene-fluorographene (FG), can be considered as the extended structure on two dimensional plane of polytetrafluoroethylene (PTFE) as well as the structure units of graphite fluoride. FG, possessing higher strength, chemical stability, temperature resistance and other intrinsic characteristics, will find potential applications in the field of lubrication; however, to date, related works in this aspect have rarely been referred to owing to the fact that there is no easily applied method for large-scale preparation of isolated FG nanosheets, mostly due to the intrinsic technological difficulties or undesirable reagents used in the experiment. In our recent research, a feasible and effective route has been explored to synthesize FG through a simple exfoliation process. In this project, the primary prerequisite is to realize the low-cost and large-scale production of FG. Then, we will continue to develop some FG-based materials including lubricating coatings, lubricating oil additives and FG/polymer composites with excellent friction reduction and wear resistance properties. Moreover, the nature of friction, wear and lubrication behaviors of the synthesized FG materials will be further explored from macroscopic and microscopic aspects by investigating the relationship between microstructure and tribological behaviors. It is expected that the obtained materials will access to a wide range of applications and promotion in the area of friction systems, such as micro-electromechanical systems (MEMS) and aeronautics/astronautics fields.

近期发现的石墨烯衍生物--氟化石墨烯（Fluorographene，FG）材料同时具有石墨烯和聚四氟乙烯（PTFE）的特点：既具有石墨烯的高强度特性，又具有PTFE的高化学稳定性和耐高温特性，该材料有望在苛刻条件下的固体润滑领域得到广泛应用，然而该方面的工作未见报道。本项目将在已经小批量制备出氟化石墨烯片的基础上，通过更合理的实验设计和剥离试剂选择，发展和建立大批量、高质量氟化石墨烯的制备新技术和新理论。在此基础上，制备出具有优异减摩抗磨性能的FG基纳米润滑涂层、润滑油添加剂和聚合物复合材料，深入开展FG的微结构与摩擦学行为之间的关系研究，从宏观和微观两方面探索并揭示其摩擦磨损及润滑行为的本质。希望通过该项目的实施，从分子设计水平，研制出具有优异抗磨减摩性能的氟化石墨烯基多功能复合材料，以期获得在微/纳机电系统和航空航天等高技术领域中能得到广泛应用的功能新材料。

氟化石墨烯（Fluorographene，FG）材料同时具有石墨烯和聚四氟乙烯（PTFE）的特点：既具有石墨烯的高强度特性，又具有PTFE的高化学稳定性和耐高温特性，该材料可在苛刻条件下的固体润滑领域得到广泛应用。本项目分别开发出了化学剥离、水热氟化和光化学氟化等方法，很好地解决了当前氟化石墨烯的合成难题，同时达到合成条件温和、氟化程度优异及价格低廉等效果。在此基础上，制备出了具有优异减摩抗磨性能的FG基纳米润滑涂层、润滑油添加剂和聚合物复合材料，深入开展了FG的微结构与摩擦学行为之间的关系研究，主要成果为：（1）将不同氟含量FG样品直接超声分散到高粘度润滑油PAO-40中并对其摩擦学性能进行研究，证实氟化石墨烯的加入对润滑油摩擦系数的影响不大，但其耐磨寿命大幅提升、磨损体积/磨损率减少。氟含量越高，这种提升效果越显著。（2）利用自组装技术，在单晶硅片表面成功构筑了氟化石墨烯薄膜，摩擦学性能研究表明，氟含量越高，薄膜的摩擦系数越低，抗磨损性能越好，说明氟的引入是促进润滑性能提升的重要因素。（3）将FG作为纳米添加剂与PI复合制备了一系列PI/FG复合薄膜，其优异的力学性能、热稳定性和在PI基体中良好的分散性导致PI/FG复合薄膜拥有比纯PI更强的拉伸强度、断裂伸长率和耐高温性能。研究了PI/FG复合涂层在三种不同实验条件（干摩擦、水润滑、油润滑）下的摩擦学性能，摩擦系数和磨损率的变化说明：PI/FG复合涂层抗磨损能力的提高主要得益于FG增强了PI的力学性能。(4) 使用尿素共价修饰FG得到了尿素修饰的FG（UFG）。将其分散在水中发现UFG是一种有效的水润滑添加剂。而将它作为纳米填料后可有效增强PI在三种不同条件（干摩擦、水润滑、油润滑）下的抗磨损性能。总之，通过该项目的实施，从分子设计水平研制出了具有优异抗磨减摩性能的氟化石墨烯基多功能复合材料，获得了可在微/纳机电系统和航空航天等高技术领域中能得到广泛应用的功能新材料。经过项目组全体成员的共同努力，该项目设定的研究目标均圆满完成。